JP2002100837A - Nitride semiconductor light-emitting element and manufacturing method therefor - Google Patents

Nitride semiconductor light-emitting element and manufacturing method therefor

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JP2002100837A
JP2002100837A JP2000289805A JP2000289805A JP2002100837A JP 2002100837 A JP2002100837 A JP 2002100837A JP 2000289805 A JP2000289805 A JP 2000289805A JP 2000289805 A JP2000289805 A JP 2000289805A JP 2002100837 A JP2002100837 A JP 2002100837A
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layer
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carbon
nitride semiconductor
dislocation
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JP2000289805A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshihiro Ueda
吉裕 上田
Takayuki Yuasa
貴之 湯浅
Yuzo Tsuda
有三 津田
Atsushi Ogawa
淳 小河
Masahiro Araki
正浩 荒木
Teruyoshi Takakura
輝芳 高倉
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitride semiconductor light-emitting element, having few crystal defects and superior characteristics. SOLUTION: In a nitride semiconductor light-emitting element, having a structure consisting of a plurality of layers 102-112 made of a nitride semiconductor on a GaN substrate 101, a transition inhibiting layer 104 consisting of a nitride semiconductor and having carbon, is included between a luminescent layer 107 and a substrate 101. The transposition inhibiting layer 104 is an AlGaN layer containing carbon with the density of 1014 cm3-1020 cm-3. The thickness of the transition inhibiting layer 104 is 40 nm-0.7 μm. The transition inhibiting layer 104 can effectively prevent the generation of transition caused by lattice mismatch between an n-type GaN layer 102 and an n-type AlGaN clad layer 103.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物半導体発光
素子およびその製造方法に関し、特に高い輝度を有し得
る窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a nitride semiconductor light emitting device having high luminance and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】窒化物半導体を使用した発光素子やハイ
パワーデバイスが研究開発されてきている。窒化物半導
体の組成を調節することにより種々の用途に対応するこ
とができ、たとえば、発光素子の場合、青色から燈色ま
で幅広い範囲において発光素子を得ることができ、その
特性を利用して青色発光ダイオードや緑色発光ダイオー
ドが実用化されている。さらに、青紫色半導体レーザー
が開発されつつある。このような発光素子の構造は、G
aN、サファイア、SiC、ZnO、CaO、MnO等
からなる基板上に、窒化物半導体結晶膜をホモエピタキ
シャル成長あるいはヘテロエピタキシャル成長させるこ
とにより作製される。しかし、たとえば、ヘテロエピタ
キシャル成長を行う場合、基板とエピタキシャル成長膜
の間に存在する格子不整合によって転位等の結晶欠陥が
生じ、素子の特性は悪くなる。
2. Description of the Related Art Light emitting devices and high power devices using nitride semiconductors have been researched and developed. By adjusting the composition of the nitride semiconductor, it is possible to cope with various applications. For example, in the case of a light-emitting element, a light-emitting element can be obtained in a wide range from blue to lantern. Light emitting diodes and green light emitting diodes have been put to practical use. Further, blue-violet semiconductor lasers are being developed. The structure of such a light emitting element is G
It is manufactured by homoepitaxially or heteroepitaxially growing a nitride semiconductor crystal film on a substrate made of aN, sapphire, SiC, ZnO, CaO, MnO, or the like. However, for example, when heteroepitaxial growth is performed, crystal defects such as dislocations occur due to lattice mismatch existing between the substrate and the epitaxially grown film, and the characteristics of the device deteriorate.

【0003】この格子不整合の問題に関し、特開平11
−220173号公報は、InaGa1-aN(0<a≦
1)膜、もしくはAlbGa1-bN(0<b≦1)膜、ま
たは組成の異なるAlbGa1-bN(0≦b≦1)薄膜を
積層した多層膜のいずれかからなる第2のn型窒化ガリ
ウム系化合物半導体層を、第1のn型窒化ガリウム系化
合物半導体層と、第3のn型窒化ガリウム系化合物半導
体層との間に挟んだ構造を有する窒化ガリウム系化合物
半導体発光素子を開示する。この構造において第2のn
型窒化ガリウム系化合物半導体層はバッファ層として作
用し、結晶欠陥を緩和し得ることが記述されている。ま
た、特開平11−162847号公報は、基板上に低温
バッファを介してヘテロエピタキシャル成長させた窒化
物半導体層上に第2のバッファ層を堆積させ、このバッ
ファ層にエネルギーを与えて単結晶化させた後、その上
に窒化物半導体層を再度成長させる工程を必要な回数行
うことにより、欠陥密度の低い窒化物半導体層を得る方
法を開示する。
[0003] Regarding the problem of the lattice mismatch, Japanese Unexamined Patent Publication No.
Japanese Unexamined Patent Publication No. 220173 discloses that In a Ga 1-a N (0 <a ≦
1) film, or consist of any of Al b Ga 1-b N ( 0 <b ≦ 1) film or a different Al b Ga 1-b N compositions (0 ≦ b ≦ 1) multi-layer film formed by laminating thin films, A gallium nitride-based compound having a structure in which a second n-type gallium nitride-based compound semiconductor layer is sandwiched between a first n-type gallium nitride-based compound semiconductor layer and a third n-type gallium nitride-based compound semiconductor layer A semiconductor light emitting device is disclosed. In this structure, the second n
It is described that a gallium nitride-based compound semiconductor layer acts as a buffer layer and can reduce crystal defects. Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-162847 discloses that a second buffer layer is deposited on a nitride semiconductor layer heteroepitaxially grown on a substrate via a low-temperature buffer, and energy is applied to the buffer layer to cause single crystallization. After that, a method of obtaining a nitride semiconductor layer with a low defect density by performing a necessary number of times of growing a nitride semiconductor layer again thereon is disclosed.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したいず
れの先行技術においても、結晶欠陥を軽減する手段を講
じた後、さらに組成の異なる窒化物半導体層、たとえば
A1を新たに含む層を1層以上積層させると、当該層と
その前後の層との間で新たに格子不整合が生じるため、
当該層から転位が発生し、それ以後の各層の品質が低下
し得る。たとえば、上記先行技術を使用して欠陥密度の
低いGaN膜を作製し、その上に光閉じ込めのためのA
lGaNクラッド層を形成する場合、当該クラッド層と
それに接する層との間の格子不整合によって新たに転位
が発生する。そして、その上に多重量子井戸からなる活
性層を成長させると、該活性層は凹凸の増大した表面に
形成されるため、多重量子井戸を構成する井戸層/障壁
層の急峻性が損なわれる結果、活性層の特性は悪化す
る。特にレーザ素子においては、素子中に転位が存在す
ると、増殖や螺旋運動によって素子寿命に悪影響が及ぼ
される。素子構造の成長過程で活性層より下にA1含有
層が存在する場合、活性層の品質に与える悪影響は大き
くなり得る。また、AlGaNクラッド層におけるA1
組成比が0.1を超える場合、その上に薄膜を成長させ
る過程でクラックの発生が顕著になり、素子の製造およ
び分割工程の歩留りが低下し得る。
However, in any of the above-mentioned prior arts, after taking measures to reduce crystal defects, one layer of a nitride semiconductor layer having a different composition, for example, a layer newly containing A1 is further added. If the above layers are stacked, a new lattice mismatch occurs between the layer and the layers before and after the layer,
Dislocations may be generated from the layer, and the quality of each layer thereafter may deteriorate. For example, a GaN film having a low defect density is manufactured using the above-described prior art, and an A for optical confinement is formed thereon.
When an lGaN cladding layer is formed, dislocations are newly generated due to lattice mismatch between the cladding layer and a layer adjacent thereto. When an active layer composed of multiple quantum wells is grown thereon, the active layer is formed on the surface with increased unevenness, resulting in a loss of the steepness of the well layer / barrier layer constituting the multiple quantum well. In addition, the characteristics of the active layer deteriorate. In particular, in the case of a laser element, if dislocations are present in the element, the life of the element is adversely affected by proliferation and spiral movement. If the Al-containing layer exists below the active layer during the growth of the device structure, the quality of the active layer may be adversely affected. A1 in the AlGaN cladding layer
When the composition ratio exceeds 0.1, cracks are remarkably generated in the process of growing a thin film on the thin film, and the yield of the device manufacturing and dividing steps may be reduced.

【0005】本発明の一つの目的は、素子構造の形成時
に新たに発生し得る転位を抑制できる技術を提供するこ
とである。
An object of the present invention is to provide a technique capable of suppressing dislocations that may newly occur during formation of an element structure.

【0006】本発明のさらなる目的は、結晶欠陥が少な
く、すぐれた特性を示すことができる窒化物半導体発光
素子およびその製造方法を提供することである。
It is a further object of the present invention to provide a nitride semiconductor light emitting device having few crystal defects and exhibiting excellent characteristics, and a method of manufacturing the same.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、炭素を含
有する窒化物半導体層が上述したような新たな転位の発
生を阻止できることを見出し、本発明を完成させるに至
った。
Means for Solving the Problems The present inventors have found that a nitride semiconductor layer containing carbon can prevent the generation of new dislocations as described above, and have completed the present invention.

【0008】かくして本発明により、基板上に窒化物半
導体からなる複数の層が形成された構造を有する窒化物
半導体発光素子であって、該複数の層のうちの発光層と
該基板との間に、窒化物半導体からなりかつ炭素を含む
転位阻止層を有することを特徴とする窒化物半導体発光
素子が提供される。
Thus, according to the present invention, there is provided a nitride semiconductor light emitting device having a structure in which a plurality of layers made of a nitride semiconductor are formed on a substrate, wherein the light emitting layer is formed between the light emitting layer and the substrate. Further, there is provided a nitride semiconductor light emitting device comprising a dislocation blocking layer made of a nitride semiconductor and containing carbon.

【0009】本発明の好ましい一つの態様において、発
光層と基板との間には、窒化物半導体からなる第1の
層、および第1の層と異なる元素を含む窒化物半導体か
らなりかつ第1の層よりも発光層に近い複数の第2の層
が設けられており、かつ該転位阻止層は、該複数の第2
の層の間に設けられている。第2の層の厚みは、0.7
μm以下であることが好ましい。
In one preferred embodiment of the present invention, a first layer made of a nitride semiconductor and a first semiconductor made of a nitride semiconductor containing an element different from the first layer are provided between the light emitting layer and the substrate. A plurality of second layers closer to the light emitting layer than the second layer, and the dislocation blocking layer includes a plurality of second layers.
Are provided between the layers. The thickness of the second layer is 0.7
It is preferably not more than μm.

【0010】本発明の好ましいもう一つの態様におい
て、発光層と基板との間には、窒化物半導体からなる第
1の層、および第1の層と異なる元素を含む窒化物半導
体からなりかつ第1の層よりも発光層に近い第2の層が
設けられており、かつ該転位阻止層は、第2の層と発光
層との間、または第2の層中に設けられている。
In another preferred embodiment of the present invention, a first layer made of a nitride semiconductor and a nitride semiconductor containing an element different from the first layer are provided between the light emitting layer and the substrate. A second layer closer to the light emitting layer than the first layer is provided, and the dislocation blocking layer is provided between the second layer and the light emitting layer or in the second layer.

【0011】本発明において、たとえば、上記第1の層
はAlを含まない窒化物半導体からなり、かつ上記第2
の層はAlを含む窒化物半導体からなる。
In the present invention, for example, the first layer is made of a nitride semiconductor containing no Al, and
Is made of a nitride semiconductor containing Al.

【0012】本発明において、転位阻止層は、炭素を1
14/cm3以上1020/cm3以下の濃度で含有するこ
とが好ましい。
In the present invention, the dislocation blocking layer contains 1 carbon.
It is preferable to contain it at a concentration of 0 14 / cm 3 or more and 10 20 / cm 3 or less.

【0013】また、本発明において、転位阻止層は、4
0nm以上0.7μm以下の厚みを有することが好まし
い。
In the present invention, the dislocation blocking layer is preferably
It preferably has a thickness of 0 nm or more and 0.7 μm or less.

【0014】典型的に、本発明の窒化物半導体発光素子
を構成する窒化物半導体は、一般式InxGayAl
1-(x+y)N(0≦x≦1、0≦x+y≦1)で表される
窒化物半導体である。
[0014] Typically, the nitride semiconductor constituting the nitride semiconductor light-emitting device of the present invention have the general formula In x Ga y Al
1- (x + y) N is a nitride semiconductor represented by N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1).

【0015】さらに、本発明により、上記窒化物半導体
発光素子を製造する方法が提供され、該製造方法は、基
板上に、転位阻止層および発光層を含む、窒化物半導体
からなる複数の層を形成する工程を備え、転位阻止層を
500℃以上1100℃以下の温度で成長させることを
特徴とする。
Further, according to the present invention, there is provided a method for manufacturing the above-mentioned nitride semiconductor light emitting device. The method comprises forming a plurality of layers of a nitride semiconductor including a dislocation blocking layer and a light emitting layer on a substrate. Forming a dislocation blocking layer at a temperature of 500 ° C. or more and 1100 ° C. or less.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】本発明では、窒化物半導体からな
りかつ炭素を含む層によって、たとえば、A1を含む層
から新たに発生する転位を減少させ、さらに層内部の応
力を緩和させることによってクラックの発生を防止し、
発光素子の特性を向上させることができる。典型的に、
本発明において転位阻止層は、発光を生じさせる発光層
(活性層)と基板との間に設けられる。基板上に形成さ
れる発光素子構造において、本発明による転位阻止層
は、第1の層上に、第1の層と異なる元素を含む窒化物
半導体からなる第2の層を積層させることより発生し得
る転位を防止することができる。たとえば、第1の層
は、一般式InxGa1-yN(0≦x<1、0≦y<1)
で表される窒化物半導体からなり、第2の層は、一般式
InxGayAl1-(x+y )N(0≦x≦1、0≦y<1、
0<x+y<1)で表されるAlを含む窒化物半導体か
らなる。本発明において、第1の層および第2の層は、
典型的に、基板と発光層との間にある。第2の層は、第
1の層上で複数設けられてもよい。典型的に、転位阻止
層は、第2の層と発光層との間に設けられるか、あるい
は複数の第2の層の間に設けられる。転位阻止層は、第
2の層に接触させて設けてもよいし、第2の層上に形成
された他の層に接触させて設けてもよい。たとえば、第
1の層はGaN層とすることができ、第2の層はAlG
aN層とすることができ、転位阻止層は、炭素を不純物
として含むAlGaN層とすることができる。この場
合、転位阻止層は、第2の層に接触させて設けてもよい
し、第2の層に接触する他の層の上に設けてもよい。ま
た、転位阻止層は、第1の層上に形成された複数の第2
の層の間に設けてもよい。この場合、たとえば、第1の
層はGaN層とすることができ、複数の第2の層はAl
GaN層とすることができ、転位阻止層は、炭素を不純
物として含むAlGaN層とすることができる。また、
第1の層をGaN層とし、第2の層をGaN薄膜とAl
N薄膜が積層された超格子構造としてもよい。第2の層
がこのような超格子構造をとる場合、超格子を構成する
GaN薄膜中に炭素を不純物として含有させ、転位阻止
層として機能させることができる。たとえば、本発明に
おいて、第1の層はn型窒化物半導体層とすることがで
き、第2の層はn型窒化物半導体からなるクラッド層と
することができる。また、第1の層をn型窒化物半導体
層とし、複数の第2の層をそれぞれクラッド層としても
よい。さらに、第1の層をn型窒化物半導体層とし、第
2の層を転位阻止層とn型窒化物半導体からなるクラッ
ド層としてもよい。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the present invention, a layer made of a nitride semiconductor and containing carbon reduces dislocations newly generated from, for example, a layer containing A1, and further reduces stress in the layer by cracking. To prevent the occurrence of
The characteristics of the light-emitting element can be improved. Typically,
In the present invention, the dislocation blocking layer is provided between the light emitting layer (active layer) for generating light emission and the substrate. In a light-emitting element structure formed over a substrate, the dislocation blocking layer according to the present invention is generated by stacking a second layer made of a nitride semiconductor containing an element different from the first layer on the first layer. Possible dislocations can be prevented. For example, the first layer has a general formula of In x Ga 1-y N (0 ≦ x <1, 0 ≦ y <1)
In represented by a nitride semiconductor, the second layer, the general formula In x Ga y Al 1- (x + y) N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y <1,
It is made of a nitride semiconductor containing Al represented by 0 <x + y <1). In the present invention, the first layer and the second layer are
Typically, between the substrate and the light emitting layer. A plurality of second layers may be provided on the first layer. Typically, the dislocation blocking layer is provided between the second layer and the light emitting layer, or provided between a plurality of second layers. The dislocation blocking layer may be provided in contact with the second layer, or may be provided in contact with another layer formed over the second layer. For example, the first layer can be a GaN layer and the second layer can be AlG
An aN layer can be used, and the dislocation blocking layer can be an AlGaN layer containing carbon as an impurity. In this case, the dislocation blocking layer may be provided in contact with the second layer, or may be provided on another layer which is in contact with the second layer. The dislocation blocking layer includes a plurality of second dislocation blocking layers formed on the first layer.
May be provided between the layers. In this case, for example, the first layer can be a GaN layer, and the plurality of second layers are Al
The dislocation blocking layer may be an AlGaN layer containing carbon as an impurity. Also,
The first layer is a GaN layer, and the second layer is a GaN thin film and Al
A super lattice structure in which N thin films are stacked may be used. When the second layer has such a superlattice structure, carbon can be contained as an impurity in the GaN thin film constituting the superlattice, and can function as a dislocation blocking layer. For example, in the present invention, the first layer can be an n-type nitride semiconductor layer, and the second layer can be a clad layer made of an n-type nitride semiconductor. Further, the first layer may be an n-type nitride semiconductor layer, and the plurality of second layers may be clad layers. Further, the first layer may be an n-type nitride semiconductor layer, and the second layer may be a cladding layer made of a dislocation blocking layer and an n-type nitride semiconductor.

【0017】本発明による素子は、たとえば、サファイ
ア、SiC、GaAs、スピネル、GaN等からなる基
板上に、複数の窒化物半導体膜をヘテロまたはホモエピ
タキシャル成長させることにより得ることができる。通
常、まず、水素雰囲気中にて1000℃以上の高温でサ
ーマルクリーニングを行い、その後、500℃程度でバ
ッファ層を形成した後、1050℃程度で窒化物半導体
層をエピタキシャル成長させ、発光素子構造を形成して
いく。この過程において、たとえば、A1を含む層と発
光層との間、あるいはA1を含む層の内部に、炭素を1
14cm-3以上1020cm-3以下の濃度で含む厚さ50
nm以上0.5μm以下の転位阻止層を挿入することが
好ましい。発光層より下層でかつA1を含む層より上層
に炭素を添加した転位阻止層を挿入することによって、
素子構造の製造中に、A1を含む層とそれ以外の層との
界面から発生する転位が発光層に伝播することを効果的
に防止し、素子特性の向上を図ることができる。素子の
製造には、たとえば、有機金属気相成長法(MOCV
D)、分子線エピタキシー法(MBE)あるいはハイド
ライド気相成長法(HVPE)等、一般的に窒化物半導
体結晶の成長に用いられる方法を適用することができ
る。生産性を考慮する場合、他の方法に比べて低コスト
で、かつ大面積基板を使用可能なMOCVD法が最も適
している。
The device according to the present invention can be obtained, for example, by hetero- or homoepitaxially growing a plurality of nitride semiconductor films on a substrate made of sapphire, SiC, GaAs, spinel, GaN or the like. Usually, first, thermal cleaning is performed at a high temperature of 1000 ° C. or more in a hydrogen atmosphere, then a buffer layer is formed at about 500 ° C., and then a nitride semiconductor layer is epitaxially grown at about 1050 ° C. to form a light emitting element structure. I will do it. In this process, for example, 1 carbon is added between the layer containing A1 and the light emitting layer or inside the layer containing A1.
Thickness 50 including a concentration of 0 14 cm -3 or more and 10 20 cm -3 or less
It is preferable to insert a dislocation blocking layer having a thickness of not less than nm and not more than 0.5 μm. By inserting a dislocation blocking layer to which carbon is added below the light emitting layer and above the layer containing A1,
During the manufacture of the element structure, dislocation generated from the interface between the layer containing A1 and the other layers can be effectively prevented from propagating to the light emitting layer, and the element characteristics can be improved. For example, metal organic chemical vapor deposition (MOCV)
D), a method generally used for growing nitride semiconductor crystals, such as molecular beam epitaxy (MBE) or hydride vapor phase epitaxy (HVPE), can be applied. In consideration of productivity, the MOCVD method, which is lower in cost than other methods and can use a large area substrate, is most suitable.

【0018】本発明によるレーザ素子の一例を図1に示
す。素子を構成する各層は、たとえばMOCVD法によ
り成長される。このレーザ素子において、n型GaN基
板101上には、順に、n型GaN層102、光閉じ込
めのための第1のn型AlGaNクラッド層103、転
位阻止層104、第2のn型AlGaNクラッド層10
5、活性層近傍に光を分布させるためのn型GaN光ガ
イド層106、InGaN多重量子井戸活性層(発光
層)107、素子構造作製過程で活性層の昇華防止およ
びp型層からの不純物拡散を防止するためのAlGaN
ブロック層108、p型GaN光ガイド層109、p型
AlGaNクラッド層110、p型GaN層111、お
よびp型GaNコンタクト層112が形成されている。
たとえば転位阻止層104は、n型AlGaNクラッド
層から発生する転位およびクラックを防止するための炭
素を含んだAlGaN層である。最上層にあるp型Ga
N層112は、横方向への光閉じ込めのためリッジ状に
加工されている。p型GaN層112上には、絶縁膜1
13が通常のフォトリソグラフィにより形成され、さら
に、p型電極114が設けられている。また、基板10
1の裏面にはn型電極115が形成されている。基板に
は、GaN以外に、サファイア、SiC、GaAs、ス
ピネル(MgA124)等、一般にその上で窒化物半導
体結晶が成長可能な材料を用いてもよい。このように、
従来1つであったn型AlGaNクラッド層を2分割
し、その間に炭素を添加した転位阻止層104を挿入し
た場合、第1のn型AlGaNクラッド層103を成長
した時点で発生した転位は、転位阻止層104内部に形
成される炭素のクラスタによって、第2のn型AlGa
Nクラッド層105へ伝播するのを阻止される。この作
用によって、従来構造に比べ、第2のn型AlGaNク
ラッド層105上に積層されるn型光ガイド層106お
よび多重量子井戸活性層107を貫通する転位の密度が
著しく減少し、n型GaN光ガイド層106の表面が平
坦化するため、多重量子井戸活性層107の各層間の急
峻性を向上させることができる。また、n型AlGaN
クラッド層を二層に分割することにより、クラッド層内
部の応力が減少し、通常であれば素子表面にまで達する
クラックの発生を防止することが可能となる。
FIG. 1 shows an example of a laser device according to the present invention. Each layer constituting the element is grown by, for example, the MOCVD method. In this laser device, an n-type GaN layer 102, a first n-type AlGaN cladding layer 103 for confining light, a dislocation blocking layer 104, and a second n-type AlGaN cladding layer are sequentially formed on an n-type GaN substrate 101. 10
5. N-type GaN light guide layer 106 for distributing light near the active layer, InGaN multiple quantum well active layer (light emitting layer) 107, prevention of sublimation of the active layer during the device structure manufacturing process and diffusion of impurities from the p-type layer To prevent AlGaN
A block layer 108, a p-type GaN light guide layer 109, a p-type AlGaN cladding layer 110, a p-type GaN layer 111, and a p-type GaN contact layer 112 are formed.
For example, the dislocation blocking layer 104 is an AlGaN layer containing carbon for preventing dislocations and cracks generated from the n-type AlGaN cladding layer. P-type Ga in the top layer
The N layer 112 is processed into a ridge shape to confine light in the lateral direction. The insulating film 1 is formed on the p-type GaN layer 112.
13 is formed by ordinary photolithography, and a p-type electrode 114 is further provided. The substrate 10
An n-type electrode 115 is formed on the back surface of 1. The substrate, in addition to GaN, sapphire, SiC, GaAs, spinel (MgA1 2 O 4) or the like, generally may be used nitride semiconductor crystal can be grown material thereon. in this way,
When the conventional n-type AlGaN cladding layer is divided into two and the dislocation blocking layer 104 to which carbon is added is inserted between the two, the dislocation generated at the time of growing the first n-type AlGaN cladding layer 103 is as follows. Due to the carbon clusters formed inside the dislocation blocking layer 104, the second n-type AlGa
Propagation to the N cladding layer 105 is prevented. By this action, the density of dislocations penetrating the n-type light guide layer 106 and the multiple quantum well active layer 107 stacked on the second n-type AlGaN cladding layer 105 is significantly reduced as compared with the conventional structure, and the n-type GaN Since the surface of the light guide layer 106 is flattened, the steepness between the layers of the multiple quantum well active layer 107 can be improved. Also, n-type AlGaN
By dividing the clad layer into two layers, the stress inside the clad layer is reduced, and it is possible to prevent cracks that normally reach the element surface.

【0019】本発明により、一般的なレーザ素子のサイ
ズで、素子の通電領域に存在し得る転位が1個以下とな
り得、実用上、その影響を無視できる転位密度である5
×1014cm-2以下の転位密度を実現し得る。一方、転
位阻止層を設けなかった場合、n型AlGaNクラッド
層とそれ以外の層との格子定数差により新たに発生した
転位の影響によって、多重量子井戸活性層107の周期
層厚と同程度の凹凸やマイクロパイプが生じ得る。この
場合、多重量子井戸活性層107を構成する障壁層およ
び井戸層の急峻性が損われ得る。その結果、電流注入時
の量子効率が低下し、素子特性が悪化し得る。かくし
て、本発明をレーザー素子に適用することにより、活性
層を貫通する転位を減少させることができ、素子表面に
達するクラックを顕著に減少させることができる。その
結果、本発明によれば、発光特性、駆動電圧、駆動電
流、素子寿命等の特性を向上させることができる。
According to the present invention, in the size of a general laser element, the number of dislocations that can be present in the current-carrying region of the element can be one or less, and the dislocation density is practically negligible.
A dislocation density of × 10 14 cm −2 or less can be realized. On the other hand, when the dislocation blocking layer was not provided, due to the effect of dislocation newly generated due to the lattice constant difference between the n-type AlGaN cladding layer and the other layers, the thickness of the periodic layer of the multiple quantum well active layer 107 was almost the same. Irregularities and micropipes may occur. In this case, the steepness of the barrier layer and the well layer constituting the multiple quantum well active layer 107 may be impaired. As a result, the quantum efficiency at the time of current injection decreases, and the device characteristics may deteriorate. Thus, by applying the present invention to a laser device, dislocations penetrating the active layer can be reduced, and cracks reaching the device surface can be significantly reduced. As a result, according to the present invention, characteristics such as light emission characteristics, drive voltage, drive current, and device life can be improved.

【0020】一般的に、窒化物半導体の結晶成長では、
サファイア、SiC、GaN、GaAs、スピネル等が
基板として用いられる。また、結晶成長は、MOCV
D、MBE、HVPEによって行うことができる。窒化
物半導体の成長速度、コストおよび生産性を考慮する
と、基板としてサファイアまたはGaNを使用すること
が好ましく、結晶品質や薄膜の制御性から、素子構造の
作製には一般的にMOCVD法を用いることが好まし
い。
Generally, in the crystal growth of a nitride semiconductor,
Sapphire, SiC, GaN, GaAs, spinel, etc. are used as the substrate. Also, the crystal growth is performed by MOCV
D, MBE, HVPE. Considering the growth rate, cost and productivity of nitride semiconductors, it is preferable to use sapphire or GaN as the substrate, and MOCVD is generally used to fabricate device structures due to crystal quality and controllability of thin films. Is preferred.

【0021】本発明による素子は、たとえば、図7に示
す結晶成長装置を用いて製造した。図7に示すMOCV
D装置において、701はGaN基板または(000
1)面サファイア等の基板であり、カーボンサセプタ7
02上に配置されている。サセプタ702の中には、や
はりカーボン製である抵抗加熱用ヒーターが配置されて
おり、熱電対により基板温度をモニターし、制御するこ
とができる。703は二重の石英でできた水冷反応管で
ある。V族原料としては、アンモニア706を使用し、
III族原料としては、トリメチルガリウム(TM
G)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチル
インジウム(TMI)(709a〜709c)を窒素ガ
スまたは水素ガスでバプリングして使用する。また、n
型のドーピング原料としてSiH4707を使用し、p
型のドーピング用原料としては、ビスシクロペンタジエ
ニルマグネシウム(Cp2Mg)709dを使用する。
転位阻止層に添加する炭素源としてメタン(CH4)7
08を用いる。各原料は、マスフローコントローラ71
0で正確に流量を制御されて原料入り口704より反応
管703に導入され、排気ガス出口705より排出され
る。以下、上記装置を使用して製造された本発明による
レーザ素子の具体例についてさらに説明する。
The device according to the present invention was manufactured using, for example, a crystal growth apparatus shown in FIG. MOCV shown in FIG.
In the D apparatus, 701 is a GaN substrate or (000
1) A substrate made of surface sapphire or the like, and a carbon susceptor 7
02. In the susceptor 702, a heater for resistance heating, also made of carbon, is arranged, and the temperature of the substrate can be monitored and controlled by a thermocouple. 703 is a water-cooled reaction tube made of double quartz. As the group V raw material, ammonia 706 was used,
Group III raw materials include trimethylgallium (TM
G), trimethylaluminum (TMA), and trimethylindium (TMI) (709a to 709c) are used by bubbling with nitrogen gas or hydrogen gas. Also, n
Using SiH 4 707 as a doping material for
Biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) 709d is used as a doping material for the mold.
Methane (CH 4 ) 7 as a carbon source added to the dislocation blocking layer
08 is used. Each raw material is supplied to the mass flow controller 71
At 0, the flow rate is controlled accurately, and the raw material is introduced into the reaction tube 703 from the inlet 704 and discharged from the exhaust gas outlet 705. Hereinafter, specific examples of the laser device according to the present invention manufactured using the above-described apparatus will be further described.

【0022】実施例1 以下に示すとおり(0001)面GaN基板上にレーザ
素子を作製した。本実施例では、n型AlGaNクラッ
ド層を2つ形成し、その間に炭素を添加した転位阻止層
を配置した。以下、図1および図2を参照しながら、そ
の製造方法について説明する。
Example 1 A laser device was manufactured on a (0001) plane GaN substrate as shown below. In this example, two n-type AlGaN cladding layers were formed, and a dislocation blocking layer to which carbon was added was disposed between them. Hereinafter, the manufacturing method will be described with reference to FIGS.

【0023】まず、厚さ400μmの5.08cm(2
インチ)径(0001)面GaN基板101を通常の方
法で洗浄し、MOCVD装置にセットする。基板をアン
モニア雰囲気中で加熱し、1050℃で安定させる。そ
の後、TMGを約50μmo1/minとSiH4ガス
を約10nmo1/min供給してn型GaN層102
を約4μm成長させる。つづいて、TMAを10μmo
l/min供給し、0.2μmの厚さで第1のn型A1
0.15Ga0.85Nクラッド層103を成長させ、SiH4
のみ停止してCH4を10nmo1/min供給しつつ
Al0.15Ga0.85N転位阻止層104を0.1μmの厚
さで成長させる。その際、一般式Cn2(n +1)で表され
る炭素化合物、あるいはC(Cn2n+14で表される炭
素化合物を用いてもよい。CH4を停止し、再びSiH4
を10nmol/min供給して0.3μmの厚さで第
2のn型A10.15Ga0.85Nクラッド層105を成長さ
せた後、TMAの供給を停止する。ここで、第1および
第2のn型クラッド層は炭素を含んでも含まなくてもよ
いが、炭素を含む場合の濃度は、1020cm-3より低く
なければならない。これは、過剰な炭素が新たな転位源
となるためである。第2のクラッド層成長後、約0.1
μmのn型GaN光ガイド層106を成長させる。光ガ
イド層は炭素を含んでも含まなくてもよいが、過剰な炭
素が転位源となることを防止するため、炭素を含む場合
の濃度は1020cm-3より低くなければならない。多重
量子井戸からなる活性層107を成長させるために、S
iH4とTMGの供給を停止して基板の温度を850℃
〜800℃程度まで低下させる。ここで、活性層の成長
温度およびIII族原料供給量は素子の発光波長を決定
するパラメータの一つであり、III族原料の供給量が
同じであれば低温で発光波長が長くなる傾向を示す。上
記基板温度は、紫〜緑の発光素子を作製するための温度
であり、必要な波長帯に応じて基板温度を変えることが
できる。温度の安定後、TMGを10μmo1/mi
n、TMIを10μmo1/min供給し、活性層10
7を形成するIn0.05Ga0.95N障壁層を約5nmの厚
さに成長させる。その際、SiH4を10nmo1/m
in程度流しても良い。つづいてTMGを10μmo1
/min、TMIを50μmo1/min供給し、井戸
層であるIn0.2Ga0.8Nを約3nmの厚さに成長させ
る。障壁層と井戸層の成長行程を繰り返し、必要な周期
の多重量子井戸を成長した後、最後に障壁層を成長させ
て活性層107の成長を終了する。通常、井戸層の層数
は2層から5層にするのが最もキャリア注入されやすく
発光効率の良い素子ができることがわかっている。ま
た、活性層は炭素を含んでも含まなくてもよいが、炭素
を含む場合の濃度は、1020cm-3より低くなければな
らない。これは、過剰な炭素が新たな転位源となり、活
性層中の非発光領域を増大させるためである。活性層成
長後、InGaN膜の昇華と活性層上のp型層からのド
ーパント拡散を防止するために、TMGを10μmo1
/min、TMAを5μmo1/min、およびCp2
Mgを供給し、約30nmの厚さにAlGaNブロック
層108を成長させ、次いでTMG、TMAおよびCp
2Mgの供給を停止して再び1050℃に昇温する。温
度を安定させた後、TMGを50μmo1/minとC
2Mgを供給し、p型のGaNよりなる光ガイド層1
09を0.1μm成長させる。続いて、TMAを10μ
mol/min供給し、0.5μmのp型A10.15Ga
0.85Nクラッド層110を成長させた後、TMAの供給
を停止し、p型のGaN層111を約4μm成長させ
る。最後に、Cp2Mgの供給量を2倍にしてp型Ga
Nコンタクト層112を0.5μm成長させる。全成長
工程終了後、TMGとCp2Mgの供給を停止して基板
加熱を終了する。室温まで冷却した後、基板を取り出
し、Mgを活性化するために窒素中で900℃にて10
分間の熱処理を行なう。p型化処理後、裏面研磨した
後、フォトリソグラフィと反応性イオンエッチング(R
IE)を使用して幅2μm、高さ0.4μmのリッジを
形成し、リッジ頂上のみ開口するように絶縁膜113を
スパッタまたは電子ビーム(EB)蒸着し、リッジ頂上
の開口部にp型電極104を、裏面にn型電極115を
それぞれ蒸着する。電極形成終了後、基板を劈開して間
隔500μmの光共振器端面を形成する。
First, a 400 μm-thick 5.08 cm (2
The (inch) diameter (0001) plane GaN substrate 101 is cleaned by an ordinary method and set in a MOCVD apparatus. The substrate is heated in an ammonia atmosphere and stabilized at 1050 ° C. After that, about 50 μmol / min of TMG and about 10 nmol / min of SiH 4 gas are supplied to the n-type GaN layer 102.
Grow about 4 μm. Subsequently, TMA was added to 10 μmo
1 / min and the first n-type A1 having a thickness of 0.2 μm.
A 0.15 Ga 0.85 N cladding layer 103 is grown and SiH 4
Stopping only, the Al 0.15 Ga 0.85 N dislocation blocking layer 104 is grown to a thickness of 0.1 μm while supplying CH 4 at 10 nmol / min. At that time, it may be used general formula C n H 2 carbon compound represented by (n +1), or a carbon compound represented by C (C n H 2n + 1 ) 4. Stop CH 4 , and again use SiH 4
Is supplied at 10 nmol / min to grow the second n-type A1 0.15 Ga 0.85 N cladding layer 105 to a thickness of 0.3 μm, and then the supply of TMA is stopped. Here, the first and second n-type cladding layers may or may not include carbon, but the concentration when carbon is included must be lower than 10 20 cm −3 . This is because excess carbon becomes a new dislocation source. After growing the second cladding layer, about 0.1
A μm n-type GaN light guide layer 106 is grown. The light guide layer may or may not contain carbon, but in order to prevent excess carbon from becoming a dislocation source, the concentration when carbon is contained must be lower than 10 20 cm -3 . In order to grow the active layer 107 composed of multiple quantum wells, S
Stop supply of iH 4 and TMG, and raise substrate temperature to 850 ° C
To about 800 ° C. Here, the growth temperature of the active layer and the supply amount of the group III raw material are one of the parameters that determine the emission wavelength of the device. If the supply amount of the group III raw material is the same, the emission wavelength tends to increase at a low temperature. . The substrate temperature is a temperature for producing a violet to green light emitting element, and can be changed according to a necessary wavelength band. After the temperature is stabilized, TMG is reduced to 10 μmo1 / mi.
n and TMI are supplied at 10 μmo1 / min, and the active layer 10 is supplied.
The In 0.05 Ga 0.95 N barrier layer forming 7 is grown to a thickness of about 5 nm. At that time, SiH 4 was added at 10 nmo1 / m
The flow may be about in. Subsequently, TMG was added to 10 μmol
/ Min and TMI of 50 μmol / min are supplied, and In 0.2 Ga 0.8 N as a well layer is grown to a thickness of about 3 nm. The growth process of the barrier layer and the well layer is repeated to grow a multiple quantum well of a required period, and finally, the growth of the active layer 107 is completed by growing the barrier layer. In general, it has been found that when the number of well layers is changed from two to five, carriers can be most easily injected, and an element having high luminous efficiency can be obtained. Also, the active layer may or may not contain carbon, but if it does, the concentration must be lower than 10 20 cm −3 . This is because excess carbon becomes a new dislocation source and increases the non-light emitting region in the active layer. After the growth of the active layer, TMG is applied to a thickness of 10 μmol to prevent sublimation of the InGaN film and diffusion of the dopant from the p-type layer on the active layer.
/ Min, TMA of 5 μmol / min, and Cp 2
Mg is supplied to grow the AlGaN block layer 108 to a thickness of about 30 nm, and then TMG, TMA and Cp
The supply of 2 Mg is stopped, and the temperature is raised again to 1050 ° C. After stabilizing the temperature, TMG was added to 50 μmol / min and C
Optical guide layer 1 made of p-type GaN by supplying p 2 Mg
09 is grown 0.1 μm. Then, TMA was added to 10μ
mol / min and supply 0.5 μm p-type A1 0.15 Ga
After growing the 0.85 N cladding layer 110, the supply of TMA is stopped, and the p-type GaN layer 111 is grown to about 4 μm. Finally, the supply amount of Cp 2 Mg is doubled to make the p-type Ga
The N contact layer 112 is grown by 0.5 μm. After the completion of the entire growth process, the supply of TMG and Cp 2 Mg is stopped, and the heating of the substrate is terminated. After cooling to room temperature, the substrate is removed and 900 ° C. in nitrogen at 10 ° C. to activate Mg.
Heat treatment for a minute. After the p-type treatment, the back surface is polished, and then photolithography and reactive ion etching (R
IE), a ridge having a width of 2 μm and a height of 0.4 μm is formed, and an insulating film 113 is formed by sputtering or electron beam (EB) so that only the top of the ridge is opened. 104 and an n-type electrode 115 on the rear surface, respectively. After the formation of the electrodes, the substrate is cleaved to form optical resonator end faces with a spacing of 500 μm.

【0024】また、比較のため、図1中のAlGaN転
位阻止層104を省略し、図2に示す従来構造のレーザ
素子を作製した。この素子では、n型GaN基板201
上に順に、n型GaN層202、光閉じ込めのためのn
型AlGaNクラッド層203、活性層近傍に光を分布
させるためのn型GaN光ガイド層204、InGaN
多重量子井戸活性層205、素子構造作製過程で活性層
の昇華を防止しかつp型層からの不純物拡散を防止する
ためのAlGaNブロック層207、p型GaN光ガイ
ド層208、p型AlGaNクラッド層209、p型G
aN層210、およびp型GaNコンタクト層211が
積層されている。最上層のp型GaN層211は、横方
向への光閉じ込めのためリッジ状に加工され、絶縁膜2
12を通常のフォトリソグラフィにより付与されてい
る。さらに、p型GaN層211の開口部にはp型電極
213が付けられている。基板201裏面にはn型電極
214は形成されている。各層の厚さ、不純物およびそ
の濃度は図1の対応する各層のそれと同じになるように
調整した。
For comparison, the AlGaN dislocation blocking layer 104 in FIG. 1 was omitted, and a laser device having a conventional structure shown in FIG. 2 was fabricated. In this device, the n-type GaN substrate 201
In order, n-type GaN layer 202 and n for optical confinement
-Type AlGaN cladding layer 203, n-type GaN light guide layer 204 for distributing light near the active layer, InGaN
Multiple quantum well active layer 205, AlGaN block layer 207, p-type GaN light guide layer 208, and p-type AlGaN cladding layer for preventing sublimation of the active layer and preventing diffusion of impurities from the p-type layer during the device structure manufacturing process 209, p-type G
An aN layer 210 and a p-type GaN contact layer 211 are stacked. The uppermost p-type GaN layer 211 is processed into a ridge shape to confine light in the lateral direction, and the insulating film 2 is formed.
12 is provided by ordinary photolithography. Further, a p-type electrode 213 is provided in an opening of the p-type GaN layer 211. On the back surface of the substrate 201, an n-type electrode 214 is formed. The thickness, impurity and concentration of each layer were adjusted to be the same as those of the corresponding layers in FIG.

【0025】以上の手順により作製した素子を評価した
ところ、従来構造の素子(図2)が電圧5Vで発振閾値
電流密度800A/cm2であるのに対し、炭素添加A
lGaN転位阻止層を挿入した素子(図1)では電圧4
Vで発振閾値電流密度500A/cm2であり、転位阻
止層によって駆動電圧および閾値電流密度の双方が低下
したことが明らかになった。素子の断面を透過電子顕微
鏡により観察したところ、従来の素子では活性層を貫通
する転位が106/cm2程度存在するのに比べ、炭素添
加AlGaN転位阻止層を挿入した素子では、素子の通
電領域に存在し得る転位が一個未満となる104/cm2
まで貫通転位が減少していることが確認できた。貫通転
位の減少によって発光に寄与しない電流の経路が遮断さ
れ、キャリアの注入効率が向上したと予想される。ま
た、従来素子ではn型AlGaNクラッド層から発生し
た凹凸およびマイクロパイプによって多重量子井戸活性
層の井戸層/障壁層界面が乱れているのに対し、炭素添
加AlGaN転位阻止層を挿入した素子では、第1のn
型AlGaNクラッド層から発生した転位が炭素添加A
lGaN転位阻止層で遮断されると同時に凹凸およびマ
イクロパイプの発生が抑制されたことによって、第2の
n型AlGaNクラッド層より上層にある多重量子井戸
の井戸層/障壁層界面の乱れが少なくなっていることが
確認できた。井戸層/障壁層界面が急峻に形成されたこ
とによって活性層の発光効率が向上したと考えられ、注
入効率向上との相乗効果により駆動電圧および発振閾値
電流密度が低減されたと考えられる。また、従来素子で
は平均して1mm程度の間隔でクラックが発生していた
が、本実施例にて作製した素子では、試料周辺部に数本
のクラックが観察されるのみであった。
When the device manufactured according to the above procedure was evaluated, the device having the conventional structure (FIG. 2) had an oscillation threshold current density of 800 A / cm 2 at a voltage of 5 V, whereas the device added with carbon A
In the device in which the lGaN dislocation blocking layer is inserted (FIG. 1), a voltage of 4
At V, the oscillation threshold current density was 500 A / cm 2 , indicating that both the driving voltage and the threshold current density were reduced by the dislocation blocking layer. Observation of the cross section of the device with a transmission electron microscope revealed that the conventional device had approximately 10 6 / cm 2 of dislocations penetrating the active layer. 10 4 / cm 2 in which less than one dislocation can exist in the region
It was confirmed that threading dislocations had been reduced. It is expected that the decrease in threading dislocations cuts off the path of current that does not contribute to light emission, thereby improving the carrier injection efficiency. Also, in the conventional device, the interface between the well layer / barrier layer of the multiple quantum well active layer is disturbed by irregularities and micropipes generated from the n-type AlGaN cladding layer, whereas in the device in which the carbon-doped AlGaN dislocation blocking layer is inserted, The first n
Generated from the AlGaN cladding layer is carbon-added A
Since the generation of irregularities and micropipes is suppressed at the same time as being blocked by the lGaN dislocation blocking layer, disturbance at the well layer / barrier layer interface of the multiple quantum well located above the second n-type AlGaN cladding layer is reduced. Was confirmed. It is considered that the light emitting efficiency of the active layer was improved due to the sharp formation of the well layer / barrier layer interface, and that the drive voltage and the oscillation threshold current density were reduced due to a synergistic effect with the improvement of the injection efficiency. In the conventional device, cracks occurred at intervals of about 1 mm on average, but in the device manufactured in this example, only a few cracks were observed around the sample.

【0026】実施例2 以下に示すとおり(0001)面サファイア基板上にレ
ーザ素子を作製した。本実施例では、n型AlGaNク
ラッド層と活性層との間に炭素を添加したAlGaN層
を配置した。図3および図4を参照しながらその製造方
法を説明する。
Example 2 A laser device was manufactured on a (0001) sapphire substrate as shown below. In this embodiment, an AlGaN layer to which carbon is added is disposed between the n-type AlGaN cladding layer and the active layer. The manufacturing method will be described with reference to FIGS.

【0027】厚さ400μmの5.08cm(2イン
チ)径(0001)面サファイア基板301を通常の方
法で洗浄してMOCVD装置にセットし、水素雰囲気中
で1200℃にて10分間クリーニングを行なう。その
後、500℃まで降温させ、アンモニアおよびTMGを
約50μmo1供給してGaNバッファ層302を40
nmの厚さで形成する。バッファ層はGaNに限らず一
般式InxA1yGa1-(x +y)N(x≦1、x+y≦1)
で表される混晶を用いることができる。バッファ層形成
後、1050℃まで昇温し、実施例1と同様の手順によ
りn型GaN層303、第1のn型AlGaNクラッド
層304、炭素添加転位阻止層305、第2のn型Al
GaNクラッド層306、n型GaN光ガイド層30
7、多重量子井戸活性層308、キャリアブロック層3
09、p型AlGaNクラッド層310、p型GaN層
311、P型GaNコンタクト層312を順次成長させ
る。各層の厚さ、不純物およびその濃度の調整は実施例
1と同様である。第1または第2のn型クラッド層、n
型光ガイド層および活性層は炭素を含んでも含まなくて
もよいが、炭素を含む場合の濃度は、1020cm-3より
低くなければならない。これは、過剰な炭素が新たな転
位源となるためである。成長後、MOCVD装置から試
料を取り出し、実施例1と同様の手順でMg活性化処理
およびリッジを形成し、絶縁膜313とp型電極314
を蒸着する。サファイアは絶縁体であるため、RIEに
よりn型GaN層を露出させてn型電極315を蒸着す
る。
A 5.08 cm (2 inch) diameter (0001) plane sapphire substrate 301 having a thickness of 400 μm is cleaned by an ordinary method, set in an MOCVD apparatus, and cleaned in a hydrogen atmosphere at 1200 ° C. for 10 minutes. After that, the temperature was lowered to 500 ° C., and ammonia and TMG were supplied at about 50 μmol, and the GaN buffer layer 302 was cooled to 40 ° C.
It is formed with a thickness of nm. The buffer layer is not limited to GaN but has the general formula In x A1 y Ga 1- (x + y) N (x ≦ 1, x + y ≦ 1)
Can be used. After forming the buffer layer, the temperature was raised to 1050 ° C., and the n-type GaN layer 303, the first n-type AlGaN cladding layer 304, the carbon-added dislocation blocking layer 305, and the second n-type Al
GaN clad layer 306, n-type GaN optical guide layer 30
7, multiple quantum well active layer 308, carrier block layer 3
09, a p-type AlGaN cladding layer 310, a p-type GaN layer 311, and a p-type GaN contact layer 312 are sequentially grown. Adjustment of the thickness of each layer, impurities and their concentrations is the same as in the first embodiment. A first or second n-type cladding layer, n
The mold light guide layer and the active layer may or may not contain carbon, but if they do, the concentration must be lower than 10 20 cm −3 . This is because excess carbon becomes a new dislocation source. After the growth, the sample was taken out from the MOCVD apparatus, Mg activation treatment and a ridge were formed in the same procedure as in Example 1, and the insulating film 313 and the p-type electrode 314 were formed.
Is deposited. Since sapphire is an insulator, the n-type GaN layer is exposed by RIE, and an n-type electrode 315 is deposited.

【0028】また、比較のために炭素添加AlGaN転
位阻止層を省略して図4に示す従来構造の素子を作製し
た。この素子では、サファイア基板401上に順に、G
aNバッファ層402、n型GaN層403、光閉じ込
めのためのn型AlGaNクラッド層404、活性層近
傍に光を分布させるためのn型GaN光ガイド層40
5、InGaN多重量子井戸活性層406、素子構造作
製過程で活性層の昇華を防止しかつp型層からの不純物
拡散を防止するためのAlGaNブロック層407、p
型GaN光ガイド層408、p型AlGaNクラッド層
409、p型GaN層410、p型GaNコンタクト層
411が積層されている。最上層のp型GaN層411
は、横方向への光閉じ込めのためリッジ状に加工され、
絶縁膜412を通常のフォトリソグラフィにより付与さ
れている。また、開口部にp型電極413が設けられて
いる。n型電極414は、RIEにより露出させたn型
GaN層403上に形成されている。各層の厚さ、不純
物およびその濃度の調整は、図3の対応する各層のそれ
と同じである。
For comparison, a device having a conventional structure shown in FIG. 4 was prepared by omitting the carbon-added AlGaN dislocation blocking layer. In this device, G is sequentially placed on a sapphire substrate 401.
aN buffer layer 402, n-type GaN layer 403, n-type AlGaN cladding layer 404 for confining light, n-type GaN light guide layer 40 for distributing light near the active layer
5, an InGaN multiple quantum well active layer 406, an AlGaN block layer 407 for preventing sublimation of the active layer and preventing impurity diffusion from the p-type layer during the device structure fabrication process.
A GaN optical guide layer 408, a p-type AlGaN cladding layer 409, a p-type GaN layer 410, and a p-type GaN contact layer 411 are stacked. Uppermost p-type GaN layer 411
Is processed into a ridge shape to confine light in the lateral direction,
The insulating film 412 is provided by ordinary photolithography. Further, a p-type electrode 413 is provided in the opening. The n-type electrode 414 is formed on the n-type GaN layer 403 exposed by RIE. The adjustment of the thickness, the impurity and the concentration of each layer is the same as that of each corresponding layer in FIG.

【0029】以上の手順により作製した素子を評価した
ところ、従来構造の素子(図4)が電圧6Vで発振閾値
電流密度1000A/cm2であるのに対し、炭素添加
AlGaN転位阻止層を挿入した素子(図3)では電圧
5Vで発振閾値電流密度700A/cm2であり、転位
阻止層により駆動電圧および閾値電流密度が共に低下す
ることが明らかになった。素子の断面を透過電子顕微鏡
により観察したところ、従来の素子では活性層を貫通す
る転位が109/cm2程度存在するのに比べ、炭素添加
AlGaN転位阻止層を挿入した素子では106/cm2
まで減少していることが確認できた。貫通転位の減少に
よって発光に寄与しない電流の経路が遮断され、キャリ
アの注入効率が向上したと予想される。また、従来素子
ではn型AlGaNクラッド層から発生した凹凸および
マイクロパイプによって多重量子井戸活性層の井戸層/
障壁層界面が乱れているのに対し、炭素添加AlGaN
転位阻止層を挿入した素子では、第1のn型AlGaN
クラッド層から発生した転位が炭素添加AlGaN転位
阻止層で遮断されると同時に凹凸およびマイクロパイプ
の発生が抑制されたことによって、第2のn型AlGa
Nクラッド層より上層にある多重量子井戸の井戸層/障
壁層界面の乱れが少なくなっていることが確認できた。
井戸層/障壁層界面が急峻に形成されたことによって活
性層の発光効率が向上したと考えられ、注入効率向上と
の相乗効果により駆動電圧および発振閾値電流密度が低
減されたと考えられる。また、従来素子では平均して5
00μm程度の間隔でクラックが発生していたが、本実
施例にて作製した素子では、試料周辺部に数本のクラッ
クが観察されるのみであった。また、サファイア以外の
異種基板を用いた場合でも同様の効果が確認できた。
When the device manufactured according to the above procedure was evaluated, the device of the conventional structure (FIG. 4) had an oscillation threshold current density of 1000 A / cm 2 at a voltage of 6 V, and a carbon-added AlGaN dislocation blocking layer was inserted. In the device (FIG. 3), the oscillation threshold current density was 700 A / cm 2 at a voltage of 5 V, and it was found that both the driving voltage and the threshold current density were reduced by the dislocation blocking layer. Observation of the cross section of the device with a transmission electron microscope revealed that the conventional device had approximately 10 9 / cm 2 dislocations penetrating the active layer, whereas the device with the carbon-added AlGaN dislocation blocking layer inserted therein had 10 6 / cm 2. Two
It has been confirmed that the number has decreased. It is expected that the decrease in threading dislocations cuts off the path of current that does not contribute to light emission, thereby improving the carrier injection efficiency. Also, in the conventional device, the unevenness generated from the n-type AlGaN cladding layer and the micropipe make the well layer / multi-quantum well active layer.
Although the barrier layer interface is disturbed, carbon-added AlGaN
In the device in which the dislocation blocking layer is inserted, the first n-type AlGaN
Dislocations generated from the cladding layer are blocked by the carbon-added AlGaN dislocation blocking layer, and at the same time, the occurrence of irregularities and micropipes is suppressed.
It was confirmed that the disturbance at the well layer / barrier layer interface of the multiple quantum well located above the N cladding layer was reduced.
It is considered that the light emitting efficiency of the active layer was improved due to the sharp formation of the well layer / barrier layer interface, and that the drive voltage and the oscillation threshold current density were reduced due to a synergistic effect with the improvement of the injection efficiency. On the other hand, the conventional device has an average of 5
Although cracks occurred at intervals of about 00 μm, only a few cracks were observed around the sample in the device manufactured in this example. The same effect was confirmed when a different kind of substrate other than sapphire was used.

【0030】実施例3 以下に示すとおり(0001)面GaN基板上にレーザ
素子を作製した。本実施例では、n型AlGaNクラッ
ド層とn型GaN光ガイド層との間に炭素を添加したA
lGaN層を配置した。図5および図2を参照しながら
その製造方法について説明する。
Example 3 A laser device was fabricated on a (0001) plane GaN substrate as shown below. In the present embodiment, A with carbon added between the n-type AlGaN cladding layer and the n-type GaN optical guide layer
An lGaN layer was arranged. The manufacturing method will be described with reference to FIGS.

【0031】まず、厚さ400μmの5.08cm(2
インチ)径(0001)面GaN基板501を通常の方
法で洗浄し、MOCVD装置にセットする。基板をアン
モニア雰囲気中で加熱し、1050℃で安定させる。そ
の後、TMGを約50μmo1/minとSiH4ガス
を約10nmo1/min供給してn型GaN層502
を約4μm成長させる。つづいて、TMAを10μmo
l/min供給し、0.2μmの厚さにn型A10.15
0.85Nクラッド層503を成長させる。次いで、Si
4のみ停止してCH4を10nmo1/min供給しつ
つ、A10.15Ga0.85N転位阻止層504を0.1μm
の厚さに成長させる。その際、一般式C n2(n+1)で表
される炭素化合物、C(Cn2n+14で表される炭素化
合物を用いてもよい。ここで、n型クラッド層は炭素を
含んでも含まなくてもよいが、炭素を含む場合の濃度
は、1020cm-3より低くなければならない。これは、
過剰な炭素が新たな転位源となるためである。転位阻止
層成長後、TMAおよびCH 4を停止し、約0.1μm
のn型GaN光ガイド層505を成長させる。光ガイド
層は炭素を含んでも含まなくてもよいが、過剰な炭素が
転位源となることを防止するため、炭素を含む場合の濃
度は1020cm-3より低くなければならない。多重量子
井戸からなる活性層506を成長させるために、SiH
4とTMGの供給を停止して、基板の温度を850℃〜
800℃程度まで低下させる。温度の安定後、TMGを
10μmo1/min、TMIを10μmo1/min
供給し、活性層506を形成するIn0.05Ga0.95N障
壁層を約5nmの厚さに成長させる。その際、SiH4
を10nmo1/min程度流しても良い。つづいてT
MGを10μmo1/min、TMIを50μmo1/
min供給し、井戸層であるIn0.2Ga0.8Nを約3n
mの厚さに成長させる。障壁層と井戸層の成長工程を繰
り返し、必要な周期の多重量子井戸を成長させた後、最
後に障壁層を成長させて活性層506の成長を終了す
る。通常、井戸層の層数は2層から5層にするのが最も
キャリア注入されやすく発光効率の良い素子ができるこ
とがわかっている。また、活性層は炭素を含んでも含ま
なくてもよいが、炭素を含む場合の濃度は、1020cm
-3より低くなければならない。これは、過剰な炭素が新
たな転位源となり、活性層中の非発光領域を増大させる
ためである。活性層成長後、InGaN膜の昇華と活性
層上のp型層からのドーパント拡散を防止するために、
TMGを10μmo1/min、TMAを5μmo1/
min、およびCp2Mgを供給し、約30nmの厚さ
にAlGaNブロック層507を成長させる。TMG、
TMAおよびCp2Mgの供給を停止して、再び105
0℃に昇温する。温度を安定させた後、TMG50μm
o1/minおよびCp2Mgを供給し、p型のGaN
よりなる光ガイド層508を0.1μm成長させる。続
いて、TMAを10μmo1/min供給し、0.5μ
mのp型A10.15Ga0.85Nクラッド層509を成長さ
せた後、TMAの供給を停止し、p型のGaN層510
を約4μm成長させる。最後に、Cp2Mgの供給量を
2倍にしてp型GaNコンタクト層511を0.5μm
成長させる。全成長工程終了後、TMGとCp2Mgの
供給を停止して基板加熱を終了する。室温まで冷却した
後、基板を取り出し、Mgを活性化するために窒素中で
900℃にて10分間の熱処理を行なう。p型化処理
後、裏面研磨した後、フォトリソグラフィと反応性イオ
ンエッチング(RIE)を使用して幅2μm、高さ0.
4μmのリッジを形成し、リッジ頂上のみ開口するよう
に絶縁膜512をスパッタまたは電子ビーム(EB)蒸
着し、リッジ頂上の開口部にp型電極513を、裏面に
n型電極514をそれぞれ蒸着する。電極形成終了後、
基板を劈開して間隔500μmの光共振器端面を形成す
る。
First, a 400 μm thick 5.08 cm (2
Inch) diameter (0001) plane GaN substrate 501
After washing by the method, it is set in the MOCVD apparatus. Ann board
Heat in a monia atmosphere and stabilize at 1050 ° C. So
After that, TMG was added to about 50 μmol / min and SiHFourgas
Is supplied to the n-type GaN layer 502 by about 10 nmol / min.
Grow about 4 μm. Subsequently, TMA was added to 10 μmo
1 / min, n-type A1 with a thickness of 0.2 μm0.15G
a0.85The N cladding layer 503 is grown. Then, Si
HFourStop only CHFourSupply 10 nmo1 / min
One, A10.15Ga0.85N dislocation blocking layer 504 is 0.1 μm
Grow to a thickness of At this time, the general formula C nH2 (n + 1)In table
Carbon compound, C (CnH2n + 1)FourCarbonization represented by
Compounds may be used. Here, the n-type cladding layer contains carbon.
It may or may not be included, but the concentration when carbon is included
Is 1020cm-3Must be lower. this is,
This is because excess carbon becomes a new dislocation source. Dislocation blocking
After layer growth, TMA and CH FourStop, about 0.1 μm
The n-type GaN optical guide layer 505 is grown. Light guide
The layer may or may not contain carbon, but excess carbon
To prevent it from becoming a dislocation source,
Degree is 1020cm-3Must be lower. Multiple quantum
In order to grow the active layer 506 made of a well, SiH
FourAnd supply of TMG are stopped, and the temperature of the substrate is set to 850 ° C.
Lower to about 800 ° C. After the temperature stabilizes, TMG
10 μmo1 / min, TMI 10 μmo1 / min
To form the active layer 5060.05Ga0.95N obstacles
The wall layer is grown to a thickness of about 5 nm. At that time, SiHFour
May flow at about 10 nmo1 / min. Then T
MG 10 μmo1 / min, TMI 50 μmo1 /
min, and the well layer In0.2Ga0.8N is about 3n
grow to a thickness of m. Repeat the growth process of barrier layer and well layer
After growing multiple quantum wells with the required period,
Later, a barrier layer is grown to terminate the growth of the active layer 506.
You. Usually, the number of well layers is most preferably changed from two to five.
A device with good luminous efficiency that allows easy carrier injection
I know. The active layer also contains carbon
Although not necessary, the concentration when containing carbon is 1020cm
-3Must be lower. This is because excess carbon is new
Dislocation source and increase non-light emitting region in active layer
That's why. Sublimation and activity of InGaN film after active layer growth
To prevent dopant diffusion from the p-type layer on the layer,
TMG is 10 μmol / min, TMA is 5 μmol / min.
min, and CpTwoSupply Mg, about 30nm thickness
Then, an AlGaN block layer 507 is grown. TMG,
TMA and CpTwoThe supply of Mg was stopped, and
Heat to 0 ° C. After stabilizing the temperature, TMG 50 μm
o1 / min and CpTwoMg supply, p-type GaN
The light guide layer 508 is grown by 0.1 μm. Continued
And supply TMA at 10 μmo1 / min,
m p-type A10.15Ga0.85The N cladding layer 509 is grown
Then, the supply of TMA is stopped, and the p-type GaN layer 510 is stopped.
Grow about 4 μm. Finally, CpTwoMg supply
Double the p-type GaN contact layer 511 to 0.5 μm
Let it grow. After completion of all growth steps, TMG and CpTwoMg
The supply is stopped to end the substrate heating. Cooled to room temperature
After that, take out the substrate and in nitrogen to activate Mg
A heat treatment is performed at 900 ° C. for 10 minutes. p-type processing
After polishing the back, photolithography and reactive ion
Width 2 μm and height 0.
Form a 4μm ridge and open only at the ridge top
The insulating film 512 is formed by sputtering or electron beam (EB) evaporation.
And a p-type electrode 513 in the opening on the top of the ridge, and
Each of the n-type electrodes 514 is deposited. After electrode formation,
Cleaving the substrate to form an optical resonator end face with a spacing of 500 μm
You.

【0032】また比較のため、炭素添加AlGaN転位
阻止層を省略して図2に示す従来構造の素子を作製し
た。
For comparison, a device having a conventional structure shown in FIG. 2 was prepared by omitting the carbon-added AlGaN dislocation blocking layer.

【0033】以上の手順により作製した素子を評価した
ところ、従来構造の素子(図2)が電圧5Vで発振閾値
電流密度800A/cm2であるのに対し、炭素添加A
lGaN転位阻止層を挿入した素子(図5)では電圧
3.9V、発振閾値電流密度440A/cm2であり、
転位阻止層の導入により駆動電圧および閾値電流密度が
共に低下することが明らかになった。素子の断面を透過
電子顕微鏡により観察したところ、従来の素子では活性
層を貫通する転位が106/cm2程度存在するのに比
べ、炭素添加AlGaN転位阻止層を挿入した素子では
104/cm2まで減少していることが確認できた。貫通
転位の減少によって発光に寄与しない電流の経路が遮断
され、キャリアの注入効率が向上したと予想される。ま
た、従来素子ではn型AlGaNクラッド層から発生し
た凹凸およびマイクロパイプによって多重量子井戸活性
層の井戸層/障壁層界面が乱れているのに対して、炭素
添加AlGaN転位阻止層を挿入した素子では、n型A
lGaNクラッド層から発生した転位が炭素添加AlG
aN転位阻止層で遮断されると同時に凹凸およびマイク
ロパイプの発生が抑制されたことによって、転位阻止層
より上に位置するn型光ガイド層および多重量子井戸の
井戸層/障壁層界面の乱れが少なくなっていることが確
認できた。井戸層/障壁層界面が急峻に形成されたこと
によって活性層の発光効率が向上したと考えられ、注入
効率向上との相乗効果により駆動電圧および発振閾値電
流密度が低減されたと考えられる。また、従来素子では
平均して1mm程度の間隔でクラックが発生していた
が、本実施例にて作製した素子では、試料周辺部に数本
のクラックが観察されるのみであった。以上の効果は、
GaN以外にサファイア等の異種基板を用いた場合でも
同様に確認できた。
When the device manufactured according to the above procedure was evaluated, the device having the conventional structure (FIG. 2) had an oscillation threshold current density of 800 A / cm 2 at a voltage of 5 V, whereas the device added with carbon A
In the device in which the lGaN dislocation blocking layer was inserted (FIG. 5), the voltage was 3.9 V, the oscillation threshold current density was 440 A / cm 2 ,
It was found that the introduction of the dislocation blocking layer lowered both the driving voltage and the threshold current density. Observation of the cross section of the device with a transmission electron microscope revealed that the conventional device had approximately 10 6 / cm 2 dislocations penetrating the active layer, whereas the device with the carbon-added AlGaN dislocation blocking layer inserted therein had 10 4 / cm 2. It has been confirmed that it has decreased to 2 . It is expected that the decrease in threading dislocations cuts off the path of current that does not contribute to light emission, thereby improving the carrier injection efficiency. Also, in the conventional device, the interface between the well layer / barrier layer of the multiple quantum well active layer is disturbed by irregularities and micropipes generated from the n-type AlGaN cladding layer, whereas in the device in which the carbon-doped AlGaN dislocation blocking layer is inserted, , N-type A
The dislocation generated from the lGaN cladding layer is carbon-added AlG
The interruption by the aN dislocation blocking layer and the suppression of the generation of the irregularities and the micropipes at the same time as the occurrence of the irregularities and the micropipes suppress the disorder of the well layer / barrier layer interface of the n-type optical guide layer and the multiple quantum well located above the dislocation blocking layer. It was confirmed that it was low. It is considered that the light emitting efficiency of the active layer was improved due to the sharp formation of the well layer / barrier layer interface, and that the drive voltage and the oscillation threshold current density were reduced due to a synergistic effect with the improvement of the injection efficiency. In the conventional device, cracks occurred at intervals of about 1 mm on average, but in the device manufactured in this example, only a few cracks were observed around the sample. The above effects are
The same could be confirmed when a heterogeneous substrate such as sapphire was used in addition to GaN.

【0034】実施例4 以下に示すとおり(0001)面GaN基板上にレーザ
素子を作製した。本実施例では、n型GaN光ガイド層
と活性層との間に炭素を添加したAlGaN層を配置し
た。図6および図2を参照しながらその製造方法につい
て説明する。
Example 4 A laser device was manufactured on a (0001) plane GaN substrate as shown below. In this embodiment, an AlGaN layer to which carbon is added is disposed between the n-type GaN light guide layer and the active layer. The manufacturing method will be described with reference to FIGS.

【0035】まず、厚さ400μmの5.08cm(2
インチ)径(0001)面GaN基板601を通常の方
法で洗浄し、MOCVD装置にセットする。基板をアン
モニア雰囲気中で加熱し1050℃で安定させる。その
後、TMGを約50μmo1/minとSiH4ガスを
約10nmo1/min供給してn型GaN層602を
約4μm成長させる。つづいて、TMAを10μmol
/min供給し、0.2μmの厚さでn型A10.15Ga
0.85Nクラッド層603を成長させる。n型クラッド層
は炭素を含んでも含まなくてもよいが、炭素を含む場合
の濃度は、10 20cm-3より低くなければならない。こ
れは、過剰な炭素が新たな転位源となるためである。n
型クラッド層成長後、TMAおよびSiH4を停止し、
約0.1μmのn型GaN光ガイド層604を成長さ
せ、TMAの供給を再開し、同時にCH4を10nmo
1/min供給しつつ、A10.15Ga0.85N転位阻止層
605を0.1μmの厚さで成長させる。その際、一般
式Cn2(n+1)で表される炭素化合物、C(Cn2n+1
4で表される炭素化合物を用いてもよい。光ガイド層は
炭素を含んでも含まなくてもよいが、過剰な炭素が転位
源となることを防止するため、炭素を含む場合の濃度は
1020cm-3より低くなければならない。転位阻止層に
続いて、SiH4とTMGの供給を停止して基板の温度
を850℃〜800℃程度まで低下させる。温度の安定
後、TMGを10μmo1/min、TMIを10μm
o1/min供給し、活性層606を形成するIn0.05
Ga0.95N障壁層を約5nmの厚さで成長させる。その
際、SiH4を10nmo1/min程度流しても良
い。つづいてTMGを10μmo1/min、TMIを
50μmo1/min供給し、井戸層であるIn0.2
0.8Nを約3nmの厚さで成長させる。障壁層と井戸
層の成長工程を繰り返し、必要な周期の多重量子井戸を
成長させた後、最後に障壁層を成長させて活性層606
の成長を終了する。活性層は炭素を含んでも含まなくて
もよいが、炭素を含む場合の濃度は、1020cm -3より
低くなければならない。これは、過剰な炭素が新たな転
位源となり、活性層中の非発光領域を増大させるためで
ある。活性層成長後、InGaN膜の昇華と活性層上の
p型層からのドーパント拡散を防止するために、TMG
を10μmo1/min、TMAを5μmo1/mi
n、およびCp2Mgを供給し、約30nmの厚さにA
lGaNブロック層607を成長させる。TMG、TM
AおよびCp2Mgの供給を停止して再び1050℃に
昇温する。温度を安定させた後、TMG50μmo1/
minとCp2Mgを供給し、p型のGaNよりなる光
ガイド層608を0.1μm成長させる。続いて、TM
Aを10μmo1/min供給し、0.5μmのp型A
0.15Ga0.85Nクラッド層609を成長させた後、T
MAの供給を停止し、p型のGaN層610を約4μm
成長させる。最後に、Cp2Mgの供給量を2倍にして
p型GaNコンタクト層611を0.5μm成長させ
る。全成長工程終了後、TMGとCp2Mgの供給を停
止して基板加熱を終了する。室温まで冷却した後、基板
を取り出し、Mgを活性化するために窒素中で900℃
にて10分間の熱処理を行なう。p型化処理後、裏面研
磨した後、フォトリソグラフィと反応性イオンエッチン
グ(RIE)を使用して幅2μm、高さ0.4μmのリ
ッジを形成し、リッジ頂上のみ開口するように絶縁膜6
12をスパッタまたは電子ビーム(EB)蒸着し、リッ
ジ頂上の開口部にp型電極613を、裏面にn型電極6
14をそれぞれ蒸着する。電極形成終了後、基板を劈開
して間隔500μmの光共振器端面を形成する。
First, a 400 μm-thick 5.08 cm (2
Inch) diameter (0001) plane GaN substrate 601
After washing by the method, it is set in the MOCVD apparatus. Ann board
Heat in a monia atmosphere and stabilize at 1050 ° C. That
Thereafter, TMG is added to about 50 μmol / min and SiHFourGas
The n-type GaN layer 602 is supplied by supplying about 10 nmo1 / min.
Grow about 4 μm. Then, 10 μmol of TMA
/ Min at a thickness of 0.2 μm and n-type A10.15Ga
0.85The N cladding layer 603 is grown. n-type cladding layer
May or may not contain carbon, but if it contains carbon
Is 10 20cm-3Must be lower. This
This is because excess carbon becomes a new dislocation source. n
After growing the mold cladding layer, TMA and SiHFourStop,
A n-type GaN optical guide layer 604 of about 0.1 μm is grown.
And restart the supply of TMA, and at the same time,Four10 nmo
While supplying 1 / min, A10.15Ga0.85N dislocation blocking layer
605 is grown to a thickness of 0.1 μm. At that time, general
Formula CnH2 (n + 1)A carbon compound represented by the formula: C (CnH2n + 1)
FourMay be used. Light guide layer
It may or may not contain carbon, but excess carbon is dislocated
To prevent carbon contamination, the concentration when carbon is contained
1020cm-3Must be lower. For dislocation blocking layer
Then, SiHFourAnd supply of TMG are stopped, and the substrate temperature
Is reduced to about 850 ° C. to 800 ° C. Temperature stability
Thereafter, TMG is 10 μmo1 / min, TMI is 10 μm
o1 / min to form the active layer 6060.05
Ga0.95An N barrier layer is grown to a thickness of about 5 nm. That
, SiHFourMay flow about 10 nmo1 / min
No. Next, TMG was set to 10 μmo1 / min and TMI was set to
50 μmo1 / min is supplied, and the well layer In0.2G
a0.8N is grown to a thickness of about 3 nm. Barrier layers and wells
Repeat the layer growth process to create multiple quantum wells with the required period.
After the growth, a barrier layer is finally grown to form the active layer 606.
To end the growth. The active layer may or may not contain carbon
However, when carbon is contained, the concentration is 10%.20cm -3Than
Must be low. This means that the excess carbon
To increase the non-light emitting area in the active layer.
is there. After growing the active layer, sublimation of the InGaN film and
To prevent dopant diffusion from the p-type layer, TMG
10 μmo1 / min, TMA 5 μmo1 / mi
n and CpTwoMg is supplied, and A is formed to a thickness of about 30 nm.
The lGaN block layer 607 is grown. TMG, TM
A and CpTwoStop supplying Mg and return to 1050 ° C
Raise the temperature. After stabilizing the temperature, TMG50 μmo1 /
min and CpTwoLight consisting of p-type GaN by supplying Mg
The guide layer 608 is grown by 0.1 μm. Then, TM
A is supplied at 10 μmo1 / min, and 0.5 μm p-type A
10.15Ga0.85After growing the N cladding layer 609, T
The supply of MA is stopped, and the p-type GaN layer 610 is reduced to about 4 μm.
Let it grow. Finally, CpTwoDouble the Mg supply
A p-type GaN contact layer 611 is grown by 0.5 μm.
You. After completion of all growth steps, TMG and CpTwoStop supplying Mg
Stop and terminate the substrate heating. After cooling to room temperature,
And 900 ° C. in nitrogen to activate Mg
For 10 minutes. After p-type treatment,
After polishing, photolithography and reactive ion etching
2 μm width and 0.4 μm height using RIE
An insulating film 6 is formed so that only the top of the ridge is opened.
12 by sputtering or electron beam (EB) deposition, and
A p-type electrode 613 is provided in the opening at the top of the device, and an n-type electrode
14 are each deposited. After electrode formation, cleave the substrate
In this way, an optical resonator end face having an interval of 500 μm is formed.

【0036】また、比較のために炭素添加AlGaN転
位阻止層を省略して図2に示す従来構造の素子を作製し
た。
For comparison, a device having a conventional structure shown in FIG. 2 was prepared without the carbon-added AlGaN dislocation blocking layer.

【0037】以上の手順により作製した素子を評価した
ところ、従来構造の素子(図2)が電圧5Vで発振閾値
電流密度800A/cm2であるのに対し、炭素添加A
lGaN転位阻止層を挿入した素子(図6)では電圧4
Vで発振閾値電流密度470A/cm2であり、駆動電
圧および閾値電流密度が共に低下した。素子の断面を透
過電子顕微鏡により観察したところ、従来の素子では活
性層を貫通する転位が109/cm2程度存在するのに比
べ、炭素添加AlGaN転位阻止層を挿入した素子では
104/cm2まで減少していることが確認できた。貫通
転位の減少によって発光に寄与しない電流の経路が遮断
され、キャリアの注入効率が向上したと予想される。ま
た、従来素子ではn型AlGaNクラッド層から発生し
た凹凸およびマイクロパイプによって多重量子井戸活性
層の井戸層/障壁層界面が乱れているのに対して、炭素
添加AlGaN転位阻止層を挿入した素子では、n型A
lGaNクラッド層から発生した転位が炭素添加AlG
aN転位阻止層で遮断されると同時に凹凸およびマイク
ロパイプの発生が抑制されたことによって転位阻止層よ
り上に位置する多重量子井戸の井戸層/障壁層界面の乱
れが少なくなっていることが確認できた。井戸層/障壁
層界面が急峻に形成されたことによって活性層の発光効
率が向上したと考えられ、注入効率向上との相乗効果に
より駆動電圧および発振閾値電流密度が低減されたもの
と考えられる。また、従来素子では平均して500μm
程度の間隔でクラックが発生していたが、本実施例にて
作製した素子では、試料周辺部に数本のクラックが観察
されるのみであった。以上の効果は、GaN以外にサフ
ァイア等の異種基板でも同様に確認できた。
When the device manufactured by the above procedure was evaluated, the device having the conventional structure (FIG. 2) had an oscillation threshold current density of 800 A / cm 2 at a voltage of 5 V, whereas the device added with carbon A
In the device in which the lGaN dislocation blocking layer is inserted (FIG. 6), a voltage of 4
At V, the oscillation threshold current density was 470 A / cm 2 , and both the drive voltage and the threshold current density decreased. Observation of the cross section of the device with a transmission electron microscope revealed that the conventional device had approximately 10 9 / cm 2 dislocations penetrating the active layer, whereas the device with the carbon-added AlGaN dislocation blocking layer inserted therein had 10 4 / cm 2. It has been confirmed that it has decreased to 2 . It is expected that the decrease in threading dislocations cuts off the path of current that does not contribute to light emission, thereby improving the carrier injection efficiency. Also, in the conventional device, the interface between the well layer / barrier layer of the multiple quantum well active layer is disturbed by irregularities and micropipes generated from the n-type AlGaN cladding layer, whereas in the device in which the carbon-doped AlGaN dislocation blocking layer is inserted, , N-type A
The dislocation generated from the lGaN cladding layer is carbon-added AlG
It has been confirmed that the disturbance at the well layer / barrier layer interface of the multiple quantum well located above the dislocation blocking layer is reduced due to suppression of the occurrence of irregularities and micropipes while being blocked by the aN dislocation blocking layer. did it. It is considered that the light emitting efficiency of the active layer was improved due to the sharp formation of the well layer / barrier layer interface, and that the driving voltage and the oscillation threshold current density were reduced due to a synergistic effect with the improvement of the injection efficiency. On the other hand, in the conventional device, the average is 500 μm.
Although cracks occurred at approximately regular intervals, only a few cracks were observed around the sample in the device manufactured in this example. The above-mentioned effects were similarly confirmed on different kinds of substrates such as sapphire in addition to GaN.

【0038】実施例5 以下に示すとおり(0001)面GaN基板上にレーザ
素子を作製した。本実施例では、第1のn型AlGaN
クラッド層と第2のn型AlGaNクラッド層の2つn
型クラッド層を設け、それらの間に配置するAlGaN
転位阻止層の成長温度を1050℃とし、転位阻止層の
炭素濃度を変えた場合の活性層を貫通する転位密度およ
び素子特性を測定した。その製造方法および結果につい
て、図1、図8および図9を参照して説明する。
Example 5 A laser device was fabricated on a (0001) plane GaN substrate as shown below. In this embodiment, the first n-type AlGaN
Cladding layer and second n-type AlGaN cladding layer
AlGaN provided with a mold cladding layer and placed between them
When the growth temperature of the dislocation blocking layer was 1050 ° C. and the carbon concentration of the dislocation blocking layer was changed, the dislocation density penetrating the active layer and the device characteristics were measured. The manufacturing method and the result will be described with reference to FIG. 1, FIG. 8 and FIG.

【0039】(0001)面GaN基板を用い、実施例
1にて説明した手順により図1に示す素子構造を順に積
層した。但し、図1に示す素子において第1および第2
のn型A10.15Ga0.85Nクラッド層103および10
5の厚さをそれぞれ0.2μm、0.3μmに設定し
た。また、第1および第2のn型A10.15Ga0.85Nク
ラッド層の間に配置する転位阻止層104の厚さを0.
1μmにする一方、転位阻止層成長時に種々の流量でC
4を供給して転位阻止層中の炭素濃度を変えた。ここ
で、第1および第2のn型クラッド層は炭素を含んでも
含まなくてもよいが、炭素を含む場合の濃度は、1020
cm-3より低くなければならない。これは、過剰な炭素
が新たな転位源となるためである。成長後の炭素濃度は
SIMSにより測定した。
Using the (0001) plane GaN substrate, the device structure shown in FIG. However, in the element shown in FIG.
N-type A1 0.15 Ga 0.85 N cladding layers 103 and 10
5 were set to 0.2 μm and 0.3 μm, respectively. Further, the thickness of the dislocation blocking layer 104 disposed between the first and second n-type A1 0.15 Ga 0.85 N cladding layers is set to 0.1.
On the other hand, while growing the dislocation blocking layer,
H 4 was supplied to change the carbon concentration in the dislocation blocking layer. Here, the first and second n-type cladding layers may or may not contain carbon, but the concentration when carbon is contained is 10 20
Must be lower than cm -3 . This is because excess carbon becomes a new dislocation source. The carbon concentration after growth was measured by SIMS.

【0040】図8にAlGaN転位阻止層の炭素濃度と
活性層を貫通する転位密度との関係を示す。炭素濃度が
1014cm-3程度より低い領域および1020cm-3を超
える領域で転位密度が高くなっていることがわかる。対
照的に1014cm-3以上10 20cm-3以下の領域では転
位密度が顕著に減少している。炭素濃度が1014cm -3
より低い場合には、転位阻止層中で転位を有効に阻止す
るに足るだけの炭素クラスタを形成することができない
ために第1のクラッド層から生じた転位が多重量子井戸
活性層にまで達している。逆に1020cm-3を超える炭
素濃度では母体結晶の組成に近い状態で炭素が存在する
ことにより、結晶の周期性を乱し、過剰に形成された炭
素クラスタが新たな転位源となって、上層の結晶性を低
下させる。以上の結果から転位阻止層に含まれる炭素の
濃度が1014から1020cm-3のとき、転位伝播阻止効
果が大きいことがわかる。したがって、本発明を適用す
るに当たって、その効果を最大限に発揮させるため、転
位阻止層に添加する炭素濃度は1014〜1020cm-3
することが望ましい。
FIG. 8 shows the relationship between the carbon concentration of the AlGaN dislocation blocking layer and
4 shows the relationship with the dislocation density penetrating the active layer. Carbon concentration
1014cm-3Lower than area and 1020cm-3Over
It can be seen that the dislocation density is high in the region where versus
Illuminating 1014cm-3More than 10 20cm-3In the following areas
The phase density is significantly reduced. Carbon concentration of 1014cm -3
If lower, dislocations are effectively blocked in the dislocation blocking layer.
Can't form enough carbon clusters
Dislocations generated from the first cladding layer are
It reaches the active layer. Conversely 1020cm-3More than charcoal
At elemental concentration, carbon exists in a state close to the composition of the host crystal
This disturbs the periodicity of the crystal,
Element clusters are a new dislocation source, lowering the crystallinity of the upper layer.
Let it down. From the above results, the carbon content of the dislocation blocking layer
Concentration 1014From 1020cm-3When, dislocation propagation blocking effect
It turns out that the fruit is big. Therefore, the present invention is applied.
In order to maximize its effect,
The concentration of carbon added to the14-1020cm-3When
It is desirable to do.

【0041】転位阻止層の炭素濃度に対する素子の駆動
電圧および閾値電流密度の関係を図9に示す。同図で黒
丸は閾値電流密度を、黒三角は駆動電圧を表す。炭素濃
度と転位密度の関係に対応して閾値電流密度が変化して
いることがわかる。炭素濃度が1014cm-3以上1020
cm-3以下の領域で閾値電流密度が600A/cm2
り低いのに比べて、1014cm-3未満および1020cm
-3を超える領域では800A/cm2から1000A/
cm2以上に増加しており、1014cm-3以上1020
-3以下の炭素濃度で転位阻止層による転位阻止効果が
大きいことが確認できる。駆動電圧は転位にあまり影響
されないため、炭素濃度に対する変動が小さい。また、
AlGaN転位阻止層の炭素濃度が1014cm-3以上1
20cm-3以下のとき、素子表面のクラックが大きく低
減された。この効果によって素子化プロセスにおける歩
留りが大幅に向上する。
FIG. 9 shows the relationship between the driving voltage of the device and the threshold current density with respect to the carbon concentration of the dislocation blocking layer. In the same figure, a black circle represents a threshold current density, and a black triangle represents a drive voltage. It can be seen that the threshold current density changes according to the relationship between the carbon concentration and the dislocation density. Carbon concentration of 10 14 cm -3 or more and 10 20
The threshold current density cm -3 or less in the region as compared to less than 600A / cm 2, less than 10 14 cm -3 and 10 20 cm
In region exceeding -3 1000A from 800A / cm 2 /
cm 2 or more and 10 14 cm -3 or more and 10 20 c
It can be confirmed that the dislocation blocking effect by the dislocation blocking layer is large at a carbon concentration of m −3 or less. Since the driving voltage is hardly affected by the dislocation, the fluctuation with respect to the carbon concentration is small. Also,
The carbon concentration of the AlGaN dislocation blocking layer is 10 14 cm -3 or more 1
At 0 20 cm -3 or less, cracks on the element surface were greatly reduced. Due to this effect, the yield in the device forming process is greatly improved.

【0042】以上の傾向は、サファイア等の異種基板上
でも同じであり、基板によらず本発明の効果が現れるこ
とを示している。
The above tendency is the same on different kinds of substrates such as sapphire, and shows that the effects of the present invention appear regardless of the substrate.

【0043】実施例6 以下に示すとおり、(0001)面GaN基板上にレー
ザ素子を作製した。本実施例では、第1のn型AlGa
Nクラッド層と第2のn型AlGaNクラッド層の2つ
のn型クラッド層を設け、それらの間に配置するAlG
aN転位阻止層の成長温度を500℃から1050℃ま
で変えた。その製造、ならびに転位阻止層に取り込まれ
る炭素濃度および活性層を貫通する転位密度と素子特性
の関係について図1、図10および図11を参照して説
明する。
Example 6 A laser device was manufactured on a (0001) plane GaN substrate as shown below. In this embodiment, the first n-type AlGa
Providing two n-type cladding layers, an N-type cladding layer and a second n-type AlGaN cladding layer,
The growth temperature of the aN dislocation blocking layer was changed from 500 ° C. to 1050 ° C. The production, the relationship between the concentration of carbon incorporated in the dislocation blocking layer, the dislocation density penetrating the active layer, and the device characteristics will be described with reference to FIGS. 1, 10, and 11. FIG.

【0044】(0001)面GaN基板を用い、実施例
1にて説明した手順により図1に示す素子構造を順に積
層する。但し、図1に示す素子において第1および第2
のn型A10.15Ga0.85Nクラッド層103および10
5の厚さをそれぞれ0.2μm、0.3μmに設定し
た。ここで、第1および第2のn型クラッド層は炭素を
含んでも含まなくてもよいが、炭素を含む場合の濃度
は、1020cm-3より低くなければならない。これは、
過剰な炭素が新たな転位源となるためである。また、第
1および第2のn型Al0.15Ga0.85Nクラッド層の間
に配置するA10.15Ga0.85N転位阻止層104の厚さ
を0.1μmに統一するため、各々の成長温度に対して
成長させる時間を増減して対応した。
Using the (0001) plane GaN substrate, the element structures shown in FIG. 1 are sequentially stacked according to the procedure described in the first embodiment. However, in the element shown in FIG.
N-type A1 0.15 Ga 0.85 N cladding layers 103 and 10
5 were set to 0.2 μm and 0.3 μm, respectively. Here, the first and second n-type cladding layers may or may not include carbon, but the concentration when carbon is included must be lower than 10 20 cm −3 . this is,
This is because excess carbon becomes a new dislocation source. Further, in order to unify the thickness of the A1 0.15 Ga 0.85 N dislocation blocking layer 104 disposed between the first and second n-type Al 0.15 Ga 0.85 N cladding layers to 0.1 μm, the thickness of each of the Al. The growth time was increased or decreased to respond.

【0045】本実施例では、転位阻止層成長時にCH4
を供給していない。その代わりに、成長時のV族原料を
減少させてV族原料とIII族原料の比を3000以下
に保つことでV族原料の触媒効果によるIII族有機金
属原料からのアルキル基脱離を抑制し、転位阻止層へ炭
素が取り込まれやすい成長条件にて、原料のアルキル基
を利用した炭素添加を行った。転位阻止層に取り込まれ
た炭素濃度はSIMSにより測定した。
In this embodiment, when growing the dislocation blocking layer, CH 4
Not supply. Instead, by reducing the group V source during growth and maintaining the ratio of the group V source to the group III source at 3000 or less, the elimination of alkyl groups from the group III organometallic source due to the catalytic effect of the group V source is suppressed. Then, under the growth conditions in which carbon is easily incorporated into the dislocation blocking layer, carbon addition was performed using an alkyl group as a raw material. The concentration of carbon incorporated in the dislocation blocking layer was measured by SIMS.

【0046】転位阻止層の成長温度に対して、V/II
I比3000の時、取り込まれた炭素の濃度と活性層を
貫通する転位の密度をプロットした結果を図10に示
す。同図において、黒丸は転位密度を表し、黒三角は炭
素濃度を表している。V/III比が3000を超えて
高くなるような成長条件では、V族原料による触媒作用
が顕著となり、アルキル基由来の炭素添加効果が著しく
減少するため、CH4等を炭素源として供給する必要が
ある。転位阻止層の成長温度が500℃から750℃近
傍まで上昇するに従って含まれる炭素の濃度が減少して
いる。V/III比が3000以下で750℃以下の温
度領域では、V族原料の触媒作用が小さいため、Ga原
料であるTMGのアルキル基であるメチル基(CH3
とGaの結合が切断されず、未分解の状態で固相に取り
込まれることにより、固相の炭素量が多くなる。特に5
00℃近傍でこの傾向が顕著であるが、成長温度の上昇
にともなって熱エネルギーによるメチル基の分離が進み
750℃程度の成長温度まで炭素濃度が減少する。75
0℃から950℃の間では、前記理由によって気相の未
分解Ga−メチル基濃度が低下するものの、アンモニア
とTMGの間で気相反応が増加して結晶成長に寄与する
Gaが減少するため、転位阻止層の成長速度も同時に低
下する。そのため、転位阻止層の成長速度との相対比較
でGa−メチル基濃度が増加した状態と等価になり、固
相への炭素取り込まれ量が僅かながら増加する。950
℃を超える成長温度では、TMGが獲得する熱エネルギ
ーが増加してメチル基の分離がほぼ100%となるた
め、成長速度によらず炭素の取り込まれ量が減少する。
このような炭素濃度の変化に伴って貫通転位の密度が変
化することがわかる。500℃から750℃の領域では
炭素濃度の減少と共に貫通転位密度が徐々に増加し、9
50℃を超える領域では炭素濃度の減少に対応して貫通
転位密度の増加度合が大きい。成長温度が上がるに従っ
て有機金属由来の炭素が減少するため、CH4等を供給
して固相に取り込まれる炭素量を補う必要がある。特に
成長温度1050℃を超える領域では、転位阻止層を設
けた場合でも、クラッド層を分割しない従来構造と近い
状態になるため、別に炭素源を供給しなければ活性層の
品質低下を招き、また、クラックが発生する。従って、
実際にAlGaNクラッド層を成長させる1000℃以
上の高温においては炭素源を別に供給することが必要と
なる。その際、炭素原料としてはCH4以外に、一般式
n2(n+1)で表される炭素化合物、C(Cn2n+14
で表される炭素化合物を用いてもよい。
With respect to the growth temperature of the dislocation blocking layer, V / II
FIG. 10 shows the result of plotting the concentration of incorporated carbon and the density of dislocations penetrating the active layer when the I ratio is 3000. In the figure, the black circles represent the dislocation density, and the black triangles represent the carbon concentration. Under the growth conditions in which the V / III ratio exceeds 3000, the catalytic action of the group V raw material becomes remarkable, and the effect of carbon addition derived from the alkyl group is significantly reduced. Therefore, it is necessary to supply CH 4 or the like as a carbon source. There is. As the growth temperature of the dislocation blocking layer increases from 500 ° C. to around 750 ° C., the concentration of carbon contained decreases. In the temperature range where the V / III ratio is 3000 or less and 750 ° C. or less, since the catalytic action of the group V raw material is small, the methyl group (CH 3 ) which is the alkyl group of TMG which is the Ga raw material
The bond between Ga and Ga is not broken and is taken into the solid phase in an undecomposed state, so that the amount of carbon in the solid phase increases. Especially 5
This tendency is remarkable at around 00 ° C., but as the growth temperature rises, separation of methyl groups by thermal energy progresses, and the carbon concentration decreases to a growth temperature of about 750 ° C. 75
Between 0 ° C. and 950 ° C., although the concentration of undecomposed Ga-methyl group in the gas phase decreases for the above-described reason, the gas phase reaction between ammonia and TMG increases and Ga contributing to crystal growth decreases. At the same time, the growth rate of the dislocation blocking layer also decreases. Therefore, when compared with the growth rate of the dislocation blocking layer, the state becomes equivalent to a state in which the concentration of Ga-methyl group is increased, and the amount of carbon incorporated into the solid phase is slightly increased. 950
At a growth temperature higher than ° C., the thermal energy obtained by TMG increases and the separation of methyl groups becomes almost 100%, so that the amount of carbon taken in decreases regardless of the growth rate.
It can be seen that the density of threading dislocations changes with such a change in carbon concentration. In the region from 500 ° C. to 750 ° C., the threading dislocation density gradually increases as the carbon concentration decreases,
In a region exceeding 50 ° C., the degree of increase in the threading dislocation density is large corresponding to the decrease in the carbon concentration. Since the carbon derived from the organic metal decreases as the growth temperature increases, it is necessary to supply CH 4 or the like to compensate for the amount of carbon taken into the solid phase. In particular, in the region where the growth temperature exceeds 1050 ° C., even when the dislocation blocking layer is provided, the structure becomes close to the conventional structure in which the cladding layer is not divided, and unless a separate carbon source is supplied, the quality of the active layer deteriorates. , Cracks occur. Therefore,
At a high temperature of 1000 ° C. or higher for actually growing the AlGaN cladding layer, it is necessary to separately supply a carbon source. In this case, as the carbon raw material, in addition to CH 4 , a carbon compound represented by the general formula C n H 2 (n + 1) , C (C n H 2n + 1 ) 4
May be used.

【0047】図10からわかるように1100℃を超え
る成長温度では貫通転位密度が非常に高くなるため、転
位阻止層の成長温度は1100℃以下であることが望ま
しい。また、500℃未満の成長温度においては、転位
阻止層がアモルファス状となり、第1および第2クラッ
ド間で結晶の連続性が途切れるため好ましくない。した
がって、転位阻止層の成長温度は500℃以上1100
℃以下であることが望ましい。
As can be seen from FIG. 10, at a growth temperature exceeding 1100 ° C., the threading dislocation density becomes extremely high. Therefore, the growth temperature of the dislocation blocking layer is desirably 1100 ° C. or lower. At a growth temperature of less than 500 ° C., the dislocation blocking layer becomes amorphous, and the continuity of the crystal between the first and second claddings is undesirably broken. Therefore, the growth temperature of the dislocation blocking layer is 500 ° C. or higher and 1100 ° C.
It is desirable that the temperature is not more than ° C.

【0048】AlGaN転位阻止層の成長温度とレーザ
素子の駆動電圧および発振閾値電流の関係を図11に示
す。同図において黒丸は閾値電流密度、黒三角は駆動電
圧である。駆動電圧はほとんど変化していないが、閾値
電流密度は成長温度によって変化していることがわか
る。500℃から750℃の間では温度上昇に対してほ
ぼ一定の閾値電流密度を示す。750℃を超え、950
℃近傍の領域では閾値電流密度が大きく増加している。
950℃以上では閾値電流密度の増加度合は小さい。転
位阻止層の成長温度に対する閾値電流密度の振る舞い
は、転位阻止層中の炭素濃度および活性層の貫通転位密
度の変化によく対応している。すなわち、炭素濃度が高
い領域では貫通転位密度と閾値電流密度が減少し、逆に
炭素濃度が低ければ、貫通転位密度および閾値電流密度
の双方が増加する。駆動電圧の変化が少ない理由は、p
型層の抵抗によって電圧が決まり、p型キャリアの活性
化率は転位密度にさほど影響を受けないためである。
FIG. 11 shows the relationship between the growth temperature of the AlGaN dislocation blocking layer, the driving voltage of the laser element, and the oscillation threshold current. In the figure, a black circle indicates a threshold current density, and a black triangle indicates a drive voltage. It can be seen that the drive voltage hardly changes, but the threshold current density changes depending on the growth temperature. Between 500 ° C. and 750 ° C., the threshold current density shows a substantially constant threshold current density as the temperature rises. Over 750 ° C, 950
In the region around ° C., the threshold current density greatly increases.
Above 950 ° C., the increase in the threshold current density is small. The behavior of the threshold current density with respect to the growth temperature of the dislocation blocking layer corresponds well to changes in the carbon concentration in the dislocation blocking layer and the threading dislocation density in the active layer. That is, the threading dislocation density and the threshold current density decrease in a region where the carbon concentration is high, and conversely, both the threading dislocation density and the threshold current density increase when the carbon concentration is low. The reason for the small change in the driving voltage is that p
This is because the voltage is determined by the resistance of the mold layer, and the activation rate of the p-type carrier is not significantly affected by the dislocation density.

【0049】以上の傾向は、サファイア等、他の基板上
に素子構造を作製した場合でも同じであり、基板によら
ず本発明の効果が現れることを示している。
The above tendency is the same even when an element structure is formed on another substrate such as sapphire, and the effect of the present invention appears regardless of the substrate.

【0050】実施例7 (0001)面GaN基板上にレーザ素子を作製した。
本実施例では、第1のn型AlGaNクラッド層と第2
のn型AlGaNクラッド層の2つのn型クラッド層を
形成し、それらの間に配置する転位阻止層の成長温度を
1050℃とし、第1および第2のn型AlGaNクラ
ッド層の総厚さ(厚さ合計)を0.5μmに固定し、転
位阻止層の厚さを変化させた。その製造、ならびに素子
特性および活性層を貫通する転位密度を測定した結果に
ついて、図1、図12および図13を参照して説明す
る。
Example 7 A laser device was manufactured on a (0001) plane GaN substrate.
In this embodiment, the first n-type AlGaN cladding layer and the second
Are formed, and the growth temperature of the dislocation blocking layer disposed between them is 1050 ° C., and the total thickness of the first and second n-type AlGaN cladding layers ( Was fixed at 0.5 μm, and the thickness of the dislocation blocking layer was changed. The production and the result of measuring the element characteristics and the dislocation density penetrating the active layer will be described with reference to FIGS. 1, 12, and 13. FIG.

【0051】(0001)面GaN基板を用い、実施例
1と同様にして図1に示す素子構造を形成した。但し、
図1に示す素子において第1および第2のn型A10.15
Ga 0.85Nクラッド層103および105の厚さ合計を
0.5μmに固定し、それぞれの層厚を0.2μmと
0.3μmに設定した。ここで、第1および第2のn型
クラッド層は炭素を含んでも含まなくてもよいが、炭素
を含む場合の濃度は、1020cm-3より低くなければな
らない。これは、過剰な炭素が新たな転位源となるため
である。また、第1および第2のn型A10.15Ga0.85
Nクラッド層の間に配置するA10.15Ga0.85N転位阻
止層104の厚さを10nmから1μmの範囲で変化さ
せた。AlGaN転位阻止層の厚さは成長時間を変える
ことで制御した。また転位阻止層成長時にCH4を供給
して固相の炭素濃度を1019cm-3に統一した。その
際、一般式Cn2(n+1)で表される炭素化合物、C(Cn
2n+14で表される炭素化合物を用いてもよい。成長
後の炭素濃度はSIMSにより確認した。
Example using (0001) plane GaN substrate
1 was formed in the same manner as in Example 1. However,
In the device shown in FIG. 1, first and second n-type A10.15
Ga 0.85The total thickness of the N cladding layers 103 and 105 is
Fixed to 0.5 μm, each layer thickness 0.2 μm
It was set to 0.3 μm. Here, the first and second n-type
The cladding layer may or may not contain carbon,
Concentration when containing 1020cm-3Must be lower
No. This is because excess carbon becomes a new dislocation source.
It is. Also, the first and second n-type A10.15Ga0.85
A1 placed between N cladding layers0.15Ga0.85N dislocation block
The thickness of the stop layer 104 is changed in the range of 10 nm to 1 μm.
I let you. AlGaN dislocation blocking layer thickness changes growth time
Controlled by that. Also, when growing the dislocation blocking layer, CHFourSupply
To make the solid phase carbon concentration 1019cm-3Unified. That
The general formula CnH2 (n + 1)A carbon compound represented by the formula: C (Cn
H2n + 1)FourMay be used. growth
The subsequent carbon concentration was confirmed by SIMS.

【0052】図12にAlGaN転位阻止層の厚さと活
性層を貫通する転位密度の関係を示す。同図より転位阻
止層の厚さが40nm以上0.7μm以下の場合に転位
阻止効果が大きいことがわかる。40nm未満の転位阻
止層では、厚さ方向の炭素クラスタ密度が十分でなく、
第1のn型AlGaNクラッドより発生した転位が炭素
クラスタ間を貫通して活性層に達すると考えられる。転
位阻止層の厚さが0.7μmを超えた場合には、炭素ク
ラスタによる歪み緩和が限界を超えるために、転位阻止
層自体が転位源となり得る。図12中に破線で示すよう
に40nm未満または7μmを超える厚さに対して、転
位密度の増加が急になっている。従って、本発明の効果
を発揮させるための転位阻止層の厚さは40nm以上
0.7μm以下であることが望ましい。
FIG. 12 shows the relationship between the thickness of the AlGaN dislocation blocking layer and the dislocation density penetrating the active layer. The figure shows that the dislocation blocking effect is large when the thickness of the dislocation blocking layer is 40 nm or more and 0.7 μm or less. In the dislocation blocking layer of less than 40 nm, the carbon cluster density in the thickness direction is not sufficient,
It is considered that dislocations generated from the first n-type AlGaN cladding penetrate between carbon clusters and reach the active layer. If the thickness of the dislocation blocking layer exceeds 0.7 μm, the strain relaxation by the carbon cluster exceeds the limit, so that the dislocation blocking layer itself can be a dislocation source. As shown by a broken line in FIG. 12, the dislocation density increases sharply for a thickness of less than 40 nm or more than 7 μm. Therefore, the thickness of the dislocation blocking layer for exhibiting the effect of the present invention is desirably 40 nm or more and 0.7 μm or less.

【0053】AlGaN転位阻止層の厚さに対する駆動
電圧および閾値電流密度の関係を図13に示す。同図に
おいて黒丸は閾値電流密度、黒三角は駆動電圧である。
実施例5〜実施例7と同様、転位密度に対応して閾値電
流密度が変化している。すなわち、40nmから0.7
μmの転位阻止層を適用したとき、閾値電流密度の低下
が確認された。図13中に破線で示したように転位密度
に対応して、40nm未満および0.7μmを境に閾値
電流密度の増加が急になっている。以上の傾向は、サフ
ァイア等、他の異種基板上でも同じであり、基板によら
ず本発明が有効であることを示している。
FIG. 13 shows the relationship between the drive voltage and the threshold current density with respect to the thickness of the AlGaN dislocation blocking layer. In the figure, a black circle indicates a threshold current density, and a black triangle indicates a drive voltage.
As in Examples 5 to 7, the threshold current density changes according to the dislocation density. That is, from 40 nm to 0.7
When a μm dislocation blocking layer was applied, a decrease in threshold current density was confirmed. As indicated by the broken line in FIG. 13, the threshold current density increases sharply at boundaries of less than 40 nm and 0.7 μm, corresponding to the dislocation density. The above tendency is the same on other types of substrates, such as sapphire, indicating that the present invention is effective regardless of the substrate.

【0054】実施例8 (0001)面GaN基板上にレーザ素子を作製した。
本実施例では、第1のn型AlGaNクラッド層と第2
のn型AlGaNクラッド層の2つのn型クラッド層を
設け、それらの間に配置する転位阻止層の成長温度を1
050℃とし、転位阻止層の厚さを0.1μmに固定
し、第1および第2のAlGaN層の厚さ合計を1μm
に保つ一方、それぞれのn型クラッド層厚さを変化させ
た。その製造、ならびに素子特性および活性層を貫通す
る転位密度を測定した結果について図1、図14および
図15を参照して説明する(0001)面GaN基板を
用い、実施例1と同様の手順により図1に示す素子構造
を形成した。但し、図1に示す素子において第1および
第2のn型Al0. 15Ga0.85Nクラッド層103および
105の厚さ合計を1μmに固定する一方、第1のn型
AlGaNクラッド層の厚さを0.1μmから0.9μ
mの間で変化させた。第1および第2のn型AlGaN
クラッド層の厚さの合計を1μmに固定しているため、
第2のn型AlGaNクラッド層の厚さは第1のn型A
lGaN層厚さに対応して0.9μmから0.1μmの
間を変化する。それぞれのクラッド層の厚さは成長時間
を変えることで制御した。ここで、第1および第2のn
型クラッド層は炭素を含んでも含まなくてもよいが、炭
素を含む場合の濃度は、1020cm-3より低くなければ
ならない。これは、過剰な炭素が新たな転位源となるた
めである。また転位阻止層成長時にCH4を供給して固
相の炭素濃度を1019cm-3に統一した。その際、一般
式Cn2(n+1)で表される炭素化合物、C(Cn2n+1
4で表される炭素化合物を用いてもよい。成長後の炭素
濃度はSIMSにより確認した。
Example 8 A laser device was manufactured on a (0001) plane GaN substrate.
In this embodiment, the first n-type AlGaN cladding layer and the second
Two n-type cladding layers of the n-type AlGaN cladding layer, and the growth temperature of the dislocation blocking layer disposed between them is set to 1
050 ° C., the thickness of the dislocation blocking layer is fixed at 0.1 μm, and the total thickness of the first and second AlGaN layers is 1 μm.
, While changing the thickness of each n-type cladding layer. The production and the results of measuring the device characteristics and the dislocation density penetrating the active layer will be described with reference to FIGS. 1, 14 and 15 by using a (0001) plane GaN substrate and performing the same procedure as in Example 1. The element structure shown in FIG. 1 was formed. However, while fixing the total thickness of the first and second n-type Al 0. 15 Ga 0.85 N cladding layer 103 and 105 to 1μm in the device shown in FIG. 1, the thickness of the first n-type AlGaN cladding layer From 0.1 μm to 0.9 μm
m. First and second n-type AlGaN
Since the total thickness of the cladding layer is fixed at 1 μm,
The thickness of the second n-type AlGaN cladding layer is the first n-type AlGaN cladding layer.
It varies between 0.9 μm and 0.1 μm according to the thickness of the lGaN layer. The thickness of each cladding layer was controlled by changing the growth time. Here, the first and second n
The mold cladding layer may or may not contain carbon, but if it does, the concentration must be less than 10 20 cm −3 . This is because excess carbon becomes a new dislocation source. During the growth of the dislocation blocking layer, CH 4 was supplied to unify the solid phase carbon concentration to 10 19 cm -3 . At that time, the carbon compound represented by the general formula C n H 2 (n + 1 ), C (C n H 2n + 1)
The carbon compound represented by 4 may be used. The carbon concentration after growth was confirmed by SIMS.

【0055】第1のn型AlGaNクラッド層の厚さに
対する貫通転位密度の変化を図14に示す。通常の素子
サイズで、素子の通電領域に存在し得る転位が一個未満
であれば、実用上転位の影響を無視することができ、対
応する転位密度は5×104cm-2程度となる。転位阻
止層の下部に位置する第1のn型AlGaNクラッド層
の厚さが0.7μm以下では、5×104cm-2以下の
転位密度に保たれているのに対して、図14中に破線で
示したように0.7μmを超える厚さでは10 5cm-3
オーダーとなり、かつ急激に転位密度が増加する傾向に
ある。これは、第1のn型AlGaNクラッド層の厚さ
が限界を超えたために転位阻止層で阻止可能な密度以上
に転位が発生したためである。従って、第1のn型Al
GaNクラッド層は0.7μm以下の厚さであることが
望ましい。また第2のn型AlGaNクラッド層につい
ても同様のことが言える。すなわち転位阻止層によって
下層からの転位伝播を阻止した場合であっても、転位阻
止層上部に位置する第2のn型AlGaNクラッド層が
厚ければ、第2のn型AlGaNクラッド層から新たに
転位が発生するので、その厚さは、たとえば0.2μm
以下であることが望ましい。あるいは素子設計上、相対
的に厚いn型AlGaNクラッド層が要求される場合に
は、転位阻止層を複数層配置することで効果的に転位の
伝播を阻止することができる。
The thickness of the first n-type AlGaN cladding layer
FIG. 14 shows a change in threading dislocation density. Normal element
Less than one dislocation that can exist in the current-carrying region of the element
Then, the effect of dislocation can be neglected in practical use.
The corresponding dislocation density is 5 × 10Fourcm-2About. Dislocation blocking
First n-type AlGaN cladding layer located below the stop layer
Is less than 0.7 μm, 5 × 10Fourcm-2below
While the dislocation density is maintained, the broken line in FIG.
As shown, at a thickness exceeding 0.7 μm, 10 Fivecm-3
Order, and the dislocation density tends to increase rapidly
is there. This is the thickness of the first n-type AlGaN cladding layer.
Exceeds the limit that can be stopped by the dislocation blocking layer because
This is because dislocations have occurred. Therefore, the first n-type Al
The GaN cladding layer should be less than 0.7μm thick
desirable. In addition, the second n-type AlGaN cladding layer
The same can be said. That is, by the dislocation blocking layer
Even when dislocation propagation from the lower layer is blocked,
The second n-type AlGaN cladding layer located above the stop layer is
If thick, a new n-type AlGaN cladding layer
Since dislocations occur, the thickness is, for example, 0.2 μm
It is desirable that: Or, relative to the element design,
When a thick n-type AlGaN cladding layer is required
Is effective in dislocation prevention by arranging multiple dislocation blocking layers.
Propagation can be prevented.

【0056】第1のn型AlGaNクラッド層の厚さに
対する駆動電圧および閾値電流密度の関係を図15に示
す。同図において黒丸は閾値電流密度、黒三角は駆動電
圧である。実施例5〜実施例7と同様、転位密度に対応
して閾値電流密度が変化している。第1のn型AlGa
Nクラッド層が0.7μm以下であるとき顕著な閾値電
流密度の低下が確認された。逆に、図15中に破線で示
したように、0.7μmを超える厚さでは閾値電流密度
が急激に増加していることがわかる。この傾向は図14
の転位密度と対応している。以上の傾向は、サファイア
等、他の異種基板でも同じであり、基板によらず本発明
が有効であることを示している。
FIG. 15 shows the relationship between the drive voltage and the threshold current density with respect to the thickness of the first n-type AlGaN cladding layer. In the figure, a black circle indicates a threshold current density, and a black triangle indicates a drive voltage. As in Examples 5 to 7, the threshold current density changes according to the dislocation density. First n-type AlGa
When the thickness of the N cladding layer was 0.7 μm or less, a remarkable decrease in threshold current density was confirmed. Conversely, as indicated by the broken line in FIG. 15, it can be seen that the threshold current density sharply increases at a thickness exceeding 0.7 μm. This tendency is shown in FIG.
Corresponds to the dislocation density. The above tendency is the same for other types of substrates, such as sapphire, indicating that the present invention is effective regardless of the substrate.

【0057】実施例9 (0001)面GaN基板上にレーザ素子を作製した。
本実施例では、第1のn型AlGaNクラッド層と第2
のn型AlGaNグラッド層の2つのn型クラッド層を
設け、それらの間に配置する転位阻止層の成長温度を1
050℃にし、転位阻止層の厚さを0.1μmに固定
し、第1および第2のAlGaNクラッド層の厚さをそ
れぞれ0.2μm、0.3μmに設定する一方、転位阻
止層の組成を変えた。素子の製造、ならびに素子特性お
よび活性層を貫通する転位密度を測定した結果につい
て、図1、図16、図17、図18および図19を参照
して説明する。
Example 9 A laser device was manufactured on a (0001) plane GaN substrate.
In this embodiment, the first n-type AlGaN cladding layer and the second
Two n-type cladding layers of the n-type AlGaN cladding layer are provided, and the growth temperature of the dislocation blocking layer disposed therebetween is set to 1
050 ° C., the thickness of the dislocation blocking layer is fixed to 0.1 μm, and the thicknesses of the first and second AlGaN cladding layers are set to 0.2 μm and 0.3 μm, respectively. changed. The production of the device and the results of measuring the device characteristics and the dislocation density penetrating the active layer will be described with reference to FIGS. 1, 16, 17, 18, and 19. FIG.

【0058】(0001)面GaN基板を用い、実施例
1と同様の手順により図1に示す素子構造を作製した。
但し、図1に示す素子おいて、第1および第2のn型A
0. 15Ga0.85Nクラッド層103および105の厚さ
をそれぞれ0.2μm、0.3μmに、転位阻止層10
4の厚さを0.1μmに固定し、転位阻止層の組成を順
次変更した。ここで、第1および第2のn型クラッド層
は炭素を含んでも含まなくてもよいが、炭素を含む場合
の濃度は、1020cm-3より低くなければならない。こ
れは、過剰な炭素が新たな転位源となるためである。転
位阻止層の組成は、TMAおよびTMIを供給し、その
量を変えることで制御した。また転位阻止層成長時にC
4を供給して固相の炭素濃度を1019cm-3に統一し
た。その際、一般式Cn2(n+1)で表される炭素化合
物、C(Cn2n+14で表される炭素化合物を用いても
よい。成長後の炭素濃度はSIMSにより確認した。
転位阻止層のA1組成およびIn組成に対する貫通転位
密度の変化を図16および図17に示す。転位阻止層の
組成変化に対して、貫通転位密度は大きく変化しないこ
とがわかる。これは、転位阻止効果が組成によっている
のではなく、当該層に含まれる炭素の濃度によっている
ことを示している。実際、炭素を1014cm-3未満ある
いは1020cm-3を超える濃度で添加した場合、全ての
組成で貫通転位密度が108cm-2以上に増加した。
Using a (0001) plane GaN substrate, an element structure shown in FIG. 1 was manufactured in the same procedure as in Example 1.
However, in the element shown in FIG. 1, the first and second n-type A
1 0. 15 Ga 0.85 N thickness each 0.2μm cladding layer 103 and 105, the 0.3 [mu] m, a dislocation-blocking layer 10
4 was fixed to 0.1 μm, and the composition of the dislocation blocking layer was sequentially changed. Here, the first and second n-type cladding layers may or may not include carbon, but the concentration when carbon is included must be lower than 10 20 cm −3 . This is because excess carbon becomes a new dislocation source. The composition of the dislocation blocking layer was controlled by supplying TMA and TMI and changing their amounts. Also, when growing the dislocation blocking layer, C
H 4 was supplied to unify the solid phase carbon concentration to 10 19 cm -3 . At that time, the carbon compound represented by the general formula C n H 2 (n + 1 ), may be used carbon compound represented by C (C n H 2n + 1 ) 4. The carbon concentration after growth was confirmed by SIMS.
FIGS. 16 and 17 show changes in the threading dislocation density with respect to the A1 composition and the In composition of the dislocation blocking layer. It can be seen that the threading dislocation density does not change significantly with the composition change of the dislocation blocking layer. This indicates that the dislocation inhibiting effect does not depend on the composition but on the concentration of carbon contained in the layer. In fact, when carbon was added at a concentration of less than 10 14 cm -3 or more than 10 20 cm -3 , the threading dislocation density increased to 10 8 cm -2 or more in all compositions.

【0059】転位阻止層の組成に対する駆動電圧および
閾値電流密度の関係を図18および図19に示す。面図
において黒丸は閾値電流密度、黒三角は駆動電圧であ
る。貫通転位密度と同様、転位阻止層の組成によらず閾
値電流密度はほぼ一定である。しかし、炭素が1014
-3未満あるいは1020cm-3を超える濃度では閾値電
流密度が1000A/cm2以上に増大した。以上の傾
向は、サファイア等、他の異種基板でも同じであり、基
板によらず本発明が有効であることを示している。
FIGS. 18 and 19 show the relationship between the drive voltage and the threshold current density with respect to the composition of the dislocation blocking layer. In the plan view, a black circle indicates a threshold current density, and a black triangle indicates a drive voltage. Like the threading dislocation density, the threshold current density is almost constant regardless of the composition of the dislocation blocking layer. However, if carbon is 10 14 c
At a concentration lower than m -3 or higher than 10 20 cm -3 , the threshold current density increased to 1000 A / cm 2 or more. The above tendency is the same for other types of substrates, such as sapphire, indicating that the present invention is effective regardless of the substrate.

【0060】実施例10 (0001)面GaN基板上にレーザ素子を作製した。
本実施例では、n型クラッド層を、GaN薄膜とAlN
薄膜を交互に積層した歪み超格子(SLS)構造とし、
SLS中のGaN層に炭素を添加した。素子の構造およ
び炭素の分布について、図1、図20および図21を参
照して説明する。
Example 10 A laser device was manufactured on a (0001) plane GaN substrate.
In this embodiment, the n-type cladding layer is made of a GaN thin film and AlN.
A strained superlattice (SLS) structure in which thin films are alternately stacked,
Carbon was added to the GaN layer in the SLS. The structure of the device and the distribution of carbon will be described with reference to FIGS. 1, 20, and 21. FIG.

【0061】(0001)面GaN基板を用い、実施例
1と同様の手順により図20に示す素子構造を作製し
た。但し、同図においてn型クラッド層(2003)
は、珪素を添加してn型とした厚さ0.5nmのAlN
層2003aと、厚さ4.5nmのGaN層2003b
とが交互に積層されたSLS構造を有する。n型クラッ
ド層2003全体の厚さは0.5μmであり、AlN/
GaNが100周期繰り返され、積層されている。Ga
NとAlNの層厚の比により、n型クラッド層全体とし
ての平均Al組成比は0.1である。本実施例によるS
LSでは、GaN層2003bが炭素を含有し、転位素
子層として機能する。他の構造は、図1に示す素子と同
様である。
Using a (0001) plane GaN substrate, an element structure shown in FIG. 20 was manufactured in the same procedure as in Example 1. However, in the same figure, the n-type cladding layer (2003)
Is a 0.5-nm-thick AlN which is made n-type by adding silicon.
Layer 2003a and 4.5 nm thick GaN layer 2003b
Have an SLS structure alternately stacked. The overall thickness of the n-type cladding layer 2003 is 0.5 μm,
GaN is repeated 100 times and stacked. Ga
Due to the ratio of the layer thicknesses of N and AlN, the average Al composition ratio of the entire n-type cladding layer is 0.1. S according to the present embodiment
In LS, the GaN layer 2003b contains carbon and functions as a dislocation element layer. Other structures are the same as those of the element shown in FIG.

【0062】また比較のため、GaN層に炭素を含まな
い通常のSLSクラッドを有する素子を作製した。
For comparison, a device having a normal SLS clad containing no carbon in the GaN layer was manufactured.

【0063】それらの素子の炭素濃度分布を図21に示
す。素子Aは、SLS中に炭素を含むものであり、素子
Bは、SLS中に炭素を含まないものである。通常の素
子Bでは炭素濃度が検出限界以下であるのに対し、転位
阻止層を含むSLSクラッドの素子Aでは、SLS中の
AlN層の炭素濃度が1014cm-3、転位阻止層である
GaN層の炭素濃度が1019cm-3と規則的な濃度分布
となっている。素子Aに通電したところ駆動電圧4.5
Vで発振閾値電流密度が420A/cm2と良好な特性
を示したが、通常のSLS素子Bに通電したところ、駆
動電圧5.1Vで発振閾値電流550A/cm2と高い
値を示し、SLS構造においても転位阻止層の効果が確
認された。
FIG. 21 shows the carbon concentration distribution of these devices. The element A includes carbon in the SLS, and the element B does not include carbon in the SLS. In the ordinary device B, the carbon concentration is below the detection limit, whereas in the SLS clad device A including the dislocation blocking layer, the carbon concentration of the AlN layer in the SLS is 10 14 cm −3 and the dislocation blocking layer is GaN. The carbon concentration of the layer has a regular concentration distribution of 10 19 cm -3 . When the element A is energized, the drive voltage is 4.5.
At V, the oscillation threshold current density showed good characteristics of 420 A / cm 2 , but when a normal SLS element B was energized, the oscillation threshold current showed a high value of 550 A / cm 2 at a drive voltage of 5.1 V, and SLS The effect of the dislocation blocking layer was also confirmed in the structure.

【0064】SLSを構成する各層は、素子設計から要
求されるSLS全体の平均組成を満足するよう、任意
に、組成、厚さおよび繰り返し周期を調整することがで
きる。そして、各層の組成によらず、炭素濃度が1014
cm-3以上1020cm-3以下の転位阻止層と、炭素濃度
が1014cm-3未満の層を交互に積層することで、素子
特性を向上させることができる。
The composition, thickness and repetition period of each layer constituting the SLS can be arbitrarily adjusted so as to satisfy the average composition of the entire SLS required from the device design. The carbon concentration is 10 14 irrespective of the composition of each layer.
The element characteristics can be improved by alternately stacking a dislocation blocking layer having a size of not less than cm -3 and not more than 10 20 cm -3 and a layer having a carbon concentration of less than 10 14 cm -3 .

【0065】以上の傾向は、サファイア等、他の異種基
板でも同じであり、基板によらず本発明が有効であるこ
とを示している。また、転位阻止層に添加する炭素源と
して、一般式Cn2(n+1)で表される炭素化合物、C
(Cn2n+14で表される炭素化合物を用いることがで
きる。
The above tendency is the same for other kinds of substrates such as sapphire, and it shows that the present invention is effective regardless of the substrate. Further, as a carbon source added to the dislocation blocking layer, a carbon compound represented by the general formula C n H 2 (n + 1) ,
A carbon compound represented by (C n H 2n + 1 ) 4 can be used.

【0066】[0066]

【発明の効果】以上述べたきたように、本発明によれ
ば、発光素子において発光層を貫通する転位密度を減少
させ、また素子表面に発生するクラックを低減すること
ができる。本発明によれば、炭素を含む転位阻止層を設
けることにより、たとえば、レーザ素子の閾値電流密度
の低減することができる。また、転位阻止層による応力
緩和により、素子表面でのクラックの発生を防止し、素
子製造の歩留りを向上させることができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to reduce the dislocation density penetrating the light emitting layer in the light emitting device and reduce the cracks generated on the device surface. According to the present invention, by providing the dislocation blocking layer containing carbon, for example, the threshold current density of the laser device can be reduced. Further, by the stress relaxation by the dislocation blocking layer, the occurrence of cracks on the element surface can be prevented, and the yield of element production can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明によるレーザ素子の一例を示す概略断
面図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of a laser device according to the present invention.

【図2】 従来の素子構造を示す概略断面図である。FIG. 2 is a schematic sectional view showing a conventional element structure.

【図3】 本発明によるレーザ素子のもう一つの例を示
す概略断面図である。
FIG. 3 is a schematic sectional view showing another example of the laser device according to the present invention.

【図4】 サファイア基板上に作製された従来の構造構
造を示す概略断面図である。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a conventional structure formed on a sapphire substrate.

【図5】 本発明によるレーザ素子の他の例を示す概略
断面図である。
FIG. 5 is a schematic sectional view showing another example of the laser device according to the present invention.

【図6】 本発明によるレーザ素子の他の例を示す概略
断面図である。
FIG. 6 is a schematic sectional view showing another example of the laser device according to the present invention.

【図7】 実施例で使用した結晶成長装置の概略図であ
る。
FIG. 7 is a schematic diagram of a crystal growth apparatus used in an example.

【図8】 転位阻止層の炭素濃度と活性層を貫通する転
位密度との関係を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the carbon concentration of a dislocation blocking layer and the dislocation density penetrating the active layer.

【図9】 転位阻止層の炭素濃度と素子の発振閾値電流
および駆動電圧との関係を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the carbon concentration of the dislocation blocking layer, the oscillation threshold current of the device, and the drive voltage.

【図10】 転位置止層に取り込まれた炭素の濃度と活
性層を貫通する転位密度の関係を示す図である。
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the concentration of carbon incorporated in a dislocation stop layer and the dislocation density penetrating an active layer.

【図11】 転位阻止層の成長温度とレーザ素子の発振
閾値電流および駆動電圧の関係を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing a relationship between a growth temperature of a dislocation blocking layer, an oscillation threshold current of a laser element, and a driving voltage.

【図12】 転位阻止層の厚さと活性層を貫通する転位
密度の関係を示す図である。
FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the thickness of a dislocation blocking layer and the density of dislocations penetrating an active layer.

【図13】 転位阻止層の厚さと発振閾値電流および駆
動電圧の関係を示す図である。
FIG. 13 is a diagram showing a relationship between the thickness of a dislocation blocking layer, an oscillation threshold current, and a driving voltage.

【図14】 第1のn型AlGaNクラッド層の厚さと
貫通転位密度の関係を示す図である。
FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the thickness of the first n-type AlGaN cladding layer and the threading dislocation density.

【図15】 第1のn型AlGaNクラッド層の厚さと
発振閾値電流および駆動電圧の関係を示す図である。
FIG. 15 is a diagram showing a relationship between the thickness of a first n-type AlGaN cladding layer, an oscillation threshold current, and a drive voltage.

【図16】 転位阻止層のA1組成比と活性層を貫通す
る転位密度の関係を示す図である。
FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the A1 composition ratio of the dislocation blocking layer and the dislocation density penetrating the active layer.

【図17】 転位阻止層のIn組成比と活性層を貫通す
る転位密度の関係を示す図である。
FIG. 17 is a diagram showing the relationship between the In composition ratio of the dislocation blocking layer and the dislocation density penetrating the active layer.

【図18】 転位阻止層のA1組成比と発振閾値電流お
よび駆動電圧の関係を示す図である。
FIG. 18 is a diagram showing the relationship between the A1 composition ratio of the dislocation blocking layer, the oscillation threshold current, and the driving voltage.

【図19】 転位阻止層のIn組成比と発振閾値電流お
よび駆動電圧の関係を示す図である。
FIG. 19 is a diagram showing a relationship between an In composition ratio of a dislocation blocking layer, an oscillation threshold current, and a driving voltage.

【図20】 本発明による素子の他の例を示す概略断面
図である。
FIG. 20 is a schematic sectional view showing another example of the device according to the present invention.

【図21】 n型SLSクラッドの厚さ方向の炭素濃度
分布を示す図である。
FIG. 21 is a diagram showing a carbon concentration distribution in a thickness direction of an n-type SLS clad.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 (0001)面n型GaN基板、102 n型
GaN層、103 第1のn型Al0.15Ga0.85Nクラ
ッド層、104 炭素添加転位阻止層、105第2のn
型A10.15Ga0.85Nクラッド層、106 n型GaN
光ガイド層、107 InGaN多重量子井戸活性層、
108 AlGaNブロック層、109p型GaN光ガ
イド層、110 p型Al0.15Ga0.85Nクラッド層、
111p型GaN層、112 p型GaNコンタクト
層、113 絶縁膜、114p型電極、115 n型電
極、201 (0001)面n型GaN基板、202n
型GaN層、203 n型Al0.15Ga0.85Nクラッド
層、204 n型GaN光ガイド層、205 InGa
N多重量子井戸活性層、206 AlGaNブロック
層、207 p型GaN光ガイド層、208 p型Al
0.15Ga0.85Nクラッド層、209 p型GaN層、2
10 p型GaNコンタクト層、211絶縁膜、212
p型電極、213 n型電極、301 (0001)
面サファイア基板、302 GaNバッファ層、303
n型GaN層、304 第1のn型Al0.15Ga0.85
Nクラッド層、305 炭素添加転位阻止層、306第
2のn型Al0.15Ga0.85Nクラッド層、307 n型
GaN光ガイド層、308 InGaN多重量子井戸活
性層、309 AlGaNブロック層、310p型Ga
N光ガイド層、311 p型Al0.15Ga0.85Nクラッ
ド層、312p型GaN層、313 p型GaNコンタ
クト層、314 絶縁膜、315p型電極、316 n
型電極、401 (0001)面サファイア基板、40
2GaNバッファ層、403 n型GaN層、404
n型Al0.15Ga0.85Nクラッド層、405 n型Ga
N光ガイド層、406 InGaN多重量子井戸活性
層、407 AlGaNブロック層、408 p型Ga
N光ガイド層、409 p型Al0.15Ga0.85Nクラッ
ド層、410 p型GaN層、411 p型GaNコン
タクト層、412 絶縁膜、413 p型電極、414
n型電極、501 (0001)面n型GaN基板、
502 n型GaN層、503 n型Al0.15Ga0.85
Nクラッド層、504 炭素添加転位阻止層、505
n型GaN光ガイド層、506 InGaN多重量子井
戸活性層、507 AlGaNブロック層、508 p
型GaN光ガイド層、509 p型Al0.15Ga0.85
クラッド層、510 p型GaN層、511 p型Ga
Nコンタクト層、512絶縁膜、513 p型電極、5
14 n型電極、601 (0001)面n型GaN基
板、602 n型GaN層、603 n型Al0.15Ga
0.85Nクラッド層、604 n型GaN光ガイド層、6
05 炭素添加転位阻止層、606 InGaN多重量
子井戸活性層、607 AlGaNブロック層、608
p型GaN光ガイド層、609 p型Al0.15Ga
0.85Nクラッド層、610 p型GaN層、611 p
型GaNコンタクト層、612 絶縁膜、613 p型
電極、614 n型電極、701 基板、702 カー
ボン製サセプタ、703 石英製反応管、704 原料
入り口、705 排気口、706 NH3、707 Si
4、708 CH4、709a TMG、709b TM
A、709c TMI、709d Cp2Mg、710
マスフローコントローラ、12001 (0001)
面n型GaN基板、2002 n型GaN層、2003
n型SLSクラッド層、2003a n型AlN層、
2003b 炭素添加GaN転位阻止層、2004 n
型GaN光ガイド層、2005 InGaN多重量子井
戸活性層、2006 AlGaNブロック層、2007
p型GaN光ガイド層、2008 p型Al0.15Ga
0.85Nクラッド層、2009 p型GaN層、2010
p型GaNコンタクト層、2011 絶縁膜、2012
p型電極、2013n型電極。
101 (0001) plane n-type GaN substrate, 102 n-type GaN layer, 103 first n-type Al 0.15 Ga 0.85 N cladding layer, 104 carbon-added dislocation blocking layer, 105 second n
Type A1 0.15 Ga 0.85 N cladding layer, 106 n-type GaN
Light guide layer, 107 InGaN multiple quantum well active layer,
108 AlGaN block layer, 109 p-type GaN light guide layer, 110 p-type Al 0.15 Ga 0.85 N clad layer,
111p-type GaN layer, 112p-type GaN contact layer, 113 insulating film, 114p-type electrode, 115n-type electrode, 201 (0001) plane n-type GaN substrate, 202n
-Type GaN layer, 203 n-type Al 0.15 Ga 0.85 N cladding layer, 204 n-type GaN light guide layer, 205 InGa
N multiple quantum well active layer, 206 AlGaN block layer, 207 p-type GaN light guide layer, 208 p-type Al
0.15 Ga 0.85 N cladding layer, 209 p-type GaN layer, 2
10 p-type GaN contact layer, 211 insulating film, 212
p-type electrode, 213 n-type electrode, 301 (0001)
Plane sapphire substrate, 302 GaN buffer layer, 303
n-type GaN layer, 304 first n-type Al 0.15 Ga 0.85
N clad layer, 305 carbon-added dislocation blocking layer, 306 second n-type Al 0.15 Ga 0.85 N clad layer, 307 n-type GaN light guide layer, 308 InGaN multiple quantum well active layer, 309 AlGaN block layer, 310 p-type Ga
N light guide layer, 311 p-type Al 0.15 Ga 0.85 N clad layer, 312 p-type GaN layer, 313 p-type GaN contact layer, 314 insulating film, 315 p-type electrode, 316 n
Type electrode, 401 (0001) plane sapphire substrate, 40
2GaN buffer layer, 403 n-type GaN layer, 404
n-type Al 0.15 Ga 0.85 N cladding layer, 405 n-type Ga
N light guide layer, 406 InGaN multiple quantum well active layer, 407 AlGaN block layer, 408 p-type Ga
N light guide layer, 409 p-type Al 0.15 Ga 0.85 N clad layer, 410 p-type GaN layer, 411 p-type GaN contact layer, 412 insulating film, 413 p-type electrode, 414
n-type electrode, 501 (0001) plane n-type GaN substrate,
502 n-type GaN layer, 503 n-type Al 0.15 Ga 0.85
N cladding layer, 504 carbon-added dislocation blocking layer, 505
n-type GaN optical guide layer, 506 InGaN multiple quantum well active layer, 507 AlGaN block layer, 508 p
-Type GaN optical guide layer, 509 p-type Al 0.15 Ga 0.85 N
Cladding layer, 510 p-type GaN layer, 511 p-type Ga
N contact layer, 512 insulating film, 513 p-type electrode, 5
14 n-type electrode, 601 (0001) plane n-type GaN substrate, 602 n-type GaN layer, 603 n-type Al 0.15 Ga
0.85 N cladding layer, 604 n-type GaN optical guiding layer, 6
05 carbon-added dislocation blocking layer, 606 InGaN multiple quantum well active layer, 607 AlGaN block layer, 608
p-type GaN optical guide layer, 609 p-type Al 0.15 Ga
0.85 N cladding layer, 610 p-type GaN layer, 611 p
GaN contact layer, 612 insulating film, 613 p-type electrode, 614 n-type electrode, 701 substrate, 702 carbon susceptor, 703 quartz reaction tube, 704 raw material inlet, 705 exhaust port, 706 NH 3 , 707 Si
H 4, 708 CH 4, 709a TMG, 709b TM
A, 709c TMI, 709d Cp 2 Mg, 710
Mass flow controller, 12001 (0001)
Plane n-type GaN substrate, 2002 n-type GaN layer, 2003
n-type SLS cladding layer, 2003a n-type AlN layer,
2003b Carbon-doped GaN dislocation blocking layer, 2004n
-Type GaN optical guide layer, 2005 InGaN multiple quantum well active layer, 2006 AlGaN block layer, 2007
p-type GaN optical guide layer, 2008 p-type Al 0.15 Ga
0.85 N cladding layer, 2009 p-type GaN layer, 2010
p-type GaN contact layer, 2011 insulating film, 2012
p-type electrode, 2013 n-type electrode.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 津田 有三 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 小河 淳 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 荒木 正浩 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 高倉 輝芳 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 Fターム(参考) 5F073 AA11 AA45 AA51 AA55 AA74 CA07 CB05 CB07 CB19 DA05 DA35 EA29  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Yuzo Tsuda 22-22 Nagaikecho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka Inside Sharp Corporation (72) Inventor Jun Ogawa 22-22 Nagaikecho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka Inside (72) Inventor Masahiro Araki 22-22 Nagaike-cho, Abeno-ku, Osaka-shi, Japan Inside Sharp Corporation (72) Inventor Teruyoshi Takakura 22-22 Nagaike-cho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka Sharp Corporation F Terms (reference) 5F073 AA11 AA45 AA51 AA55 AA74 CA07 CB05 CB07 CB19 DA05 DA35 EA29

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板上に窒化物半導体からなる複数の層
が形成された構造を有する窒化物半導体発光素子であっ
て、 前記複数の層のうちの発光層と前記基板との間に、窒化
物半導体からなりかつ炭素を含む転位阻止層を有するこ
とを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
1. A nitride semiconductor light emitting device having a structure in which a plurality of layers made of a nitride semiconductor are formed on a substrate, wherein a nitride layer is formed between the light emitting layer of the plurality of layers and the substrate. A nitride semiconductor light-emitting device, comprising a dislocation blocking layer made of a nitride semiconductor and containing carbon.
【請求項2】 前記発光層と前記基板との間に、窒化物
半導体からなる第1の層、および前記第1の層と異なる
元素を含む窒化物半導体からなりかつ前記第1の層より
も前記発光層に近い複数の第2の層が設けられており、
かつ前記転位阻止層は、前記複数の第2の層の間に設け
られていることを特徴とする、請求項1に記載の窒化物
半導体発光素子。
2. A first layer made of a nitride semiconductor between the light-emitting layer and the substrate, and a first layer made of a nitride semiconductor containing an element different from the first layer, and A plurality of second layers close to the light emitting layer are provided;
The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the dislocation blocking layer is provided between the plurality of second layers.
【請求項3】 前記第2の層の厚みは0.7μm以下で
あることを特徴とする、請求項2に記載の窒化物半導体
発光素子。
3. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein the thickness of said second layer is 0.7 μm or less.
【請求項4】 前記発光層と前記基板との間に、窒化物
半導体からなる第1の層、および前記第1の層と異なる
元素を含む窒化物半導体からなりかつ前記第1の層より
も前記発光層に近い第2の層が設けられており、かつ前
記転位阻止層は、前記第2の層と前記発光層との間、ま
たは前記第2の層中に設けられていることを特徴とす
る、請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
4. A first layer made of a nitride semiconductor between the light emitting layer and the substrate, and a first layer made of a nitride semiconductor containing an element different from the first layer, and A second layer close to the light emitting layer is provided, and the dislocation blocking layer is provided between the second layer and the light emitting layer or in the second layer. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein
【請求項5】 前記第1の層はAlを含まない窒化物半
導体からなり、かつ前記第2の層はAlを含む窒化物半
導体からなることを特徴とする、請求項2〜4のいずれ
か1項に記載の窒化物半導体発光素子。
5. The semiconductor device according to claim 2, wherein the first layer is made of a nitride semiconductor containing no Al, and the second layer is made of a nitride semiconductor containing Al. 2. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1.
【請求項6】 前記転位阻止層は、前記炭素を1014
cm3以上1020/cm3以下の濃度で含有することを特
徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の窒化物
半導体発光素子。
6. The dislocation blocking layer according to claim 1, wherein said carbon is 10 14 /
The nitride semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 5, wherein the nitride semiconductor light emitting device is contained at a concentration of not less than cm 3 and not more than 10 20 / cm 3 .
【請求項7】 前記転位阻止層は、40nm以上0.7
μm以下の厚みを有することを特徴とする、請求項1〜
6のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
7. The dislocation blocking layer has a thickness of 40 nm or more and 0.7 or less.
characterized by having a thickness of less than or equal to μm.
7. The nitride semiconductor light emitting device according to any one of 6.
【請求項8】 前記窒化物半導体発光素子を構成する窒
化物半導体は、一般式InxGayAl1-(x+y)N(0≦
x≦1、0≦x+y≦1)で表される窒化物半導体であ
ることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1項に記
載の窒化物半導体発光素子。
8. A nitride semiconductor constituting the nitride semiconductor light emitting device has the general formula In x Ga y Al 1- (x + y) N (0 ≦
The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the nitride semiconductor is a nitride semiconductor represented by x ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1).
【請求項9】 請求項1〜8のいずれか1項に記載の窒
化物半導体発光素子の製造方法であって、 基板上に、前記転位阻止層および前記発光層を含む、窒
化物半導体からなる複数の層を形成する工程を備え、 前記転位阻止層を500℃以上1100℃以下の温度で
成長させることを特徴とする、製造方法。
9. The method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, comprising a nitride semiconductor including the dislocation blocking layer and the light emitting layer on a substrate. A manufacturing method, comprising a step of forming a plurality of layers, wherein the dislocation blocking layer is grown at a temperature of 500 ° C. or more and 1100 ° C. or less.
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